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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks unter Verwendung eines Laserstrahls.
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Hintergrund
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Es gibt ein herkömmliches Laserbearbeitungsverfahren, das ein Werkstück unter Verwendung eines Hilfsgases bearbeitet. Ein brennbares Gas oder ein Inertgas wird in einigen Fällen als das Hilfsgas zur Laserbearbeitung verwendet. Ein brennbares Gas wird als ein Gas verwendet, um die Verbrennungsenergie zur Unterstützung bei der Bereitstellung von Energie zur Bearbeitung des Objekts zu verwenden. Ferner wird ein Inertgas in einigen Fällen als ein Gas verwendet, das beim Entfernen von Schlacke hilft, welche ein geschmolzenes Material ist, das während der Laserbearbeitung erzeugt wird. In beiden Fällen ist es notwendig, die Reinheit des Hilfsgases beim Zuführen des Hilfsgases zu erhöhen, um die Bearbeitungsqualität der Laserbearbeitung zu verbessern. In dem Fall des brennbaren Gases kann eine Abnahme der Reinheit des Hilfsgases zu einer Verfärbung einer bearbeiteten Oberfläche oder der Erzeugung von Schlacke führen. Dies bedeutet, dass die Qualität der bearbeiteten Oberfläche abnimmt. In dem Fall des Inertgases gibt es ferner die Möglichkeit, dass die erzeugte Schlacke nicht vollständig entfernt wird, wenn die Reinheit des Hilfsgases abnimmt.
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Patentliteratur 2 offenbart eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer ersten Gasdüse und einer zweiten Gasdüse, die um die erste Gasdüse herum angeordnet ist, um ein Hereinfließen von Wasser bei einer Unterwasserbearbeitung zu verhindern.
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Patentliteratur 3 offenbart ein Verfahren zum Reinigen von Komponenten und eines Werkstücks von Resten eines ersten verwendeten Gases, um bei einem Wechsel zu einem zweiten Gas zu verhindern, dass das zweite Gas durch die Reste des ersten Gases verunreinigt wird.
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Patentliteratur 4 offenbart einen ersten Gasdurchgang und einen zweiten Gasdurchgang, wobei der zweite Gasdurchgang ein Eindringen von Gas aus dem ersten Gasdurchgang verhindert. Zusätzlich wird ein Eindringen von Gas aus dem ersten Gasdurchgang in den zweiten Gasdurchgang detektiert.
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Patentliteratur 5 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks durch einen Laserstrahl, wobei ein Hilfsgas in einer gepulsten zeitlichen Abfolge zugeführt wird, um die benötigte Menge des Hilfsgases zu reduzieren.
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Um die vorangehend beschriebenen Probleme zu lösen, wurde eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein Hilfsgas und ein Abschirmgas verwendet, welches das Hilfsgas abschirmt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
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Zitierungsliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-1570
- Patentliteratur 2: JP 2019-010680 A
- Patentliteratur 3: JP 2006-231408 A
- Patentliteratur 4: JP 2002-001570 A
- Patentliteratur 5: JP 2011-073014 A
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Überblick
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Technisches Problem
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Wenn die Laserbearbeitung gestartet wird, emittiert die in Patentliteratur 1 offenbarte Vorrichtung jedoch einen Laserstrahl, nachdem die Zuführung des Hilfsgases und des Abschirmgases gleichzeitig gestartet wurden. Deshalb vermischen sich das Hilfsgas und das Abschirmgas zur Startzeit der Laserbearbeitung leicht, was zu einer Abnahme der Reinheit des Hilfsgases um einen Bearbeitungszielbereich herum führt, der durch den Laserstrahl zu bearbeiten ist. Dies führt zu einem Problem, dass die Qualität einer bearbeiteten Oberfläche bei der Laserbearbeitung abnimmt. Zudem gibt es ein Problem dahingehend, dass die Schlacke nicht wirksam entfernt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen getätigt, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhalten, die in der Lage ist, die Qualität einer bearbeiteten Oberfläche beim Beginn der Laserbearbeitung zu verbessern und Schlacke wirksam zu entfernen.
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Lösung des Problems
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Zur Lösung des Problems umfasst die vorliegende Erfindung: einen Düsenmechanismus, der einen Laserstrahl, ein erstes Hilfsgas und ein zweites Hilfsgas zu einem Werkstück führt, wobei der Laserstrahl von einem Laser emittiert wird, wobei das erste Hilfsgas von einer ersten Gasquelle zugeführt wird, wobei das zweite Hilfsgas von einer zweiten Gasquelle zugeführt wird; und eine Steuerungsvorrichtung, die die Zuführung des ersten und des zweiten Hilfsgases steuert, wobei der Düsenmechanismus eine innere Düse und eine äußere Düse umfasst, wobei die innere Düse den Laserstrahl und das erste Hilfsgas zu einem Bearbeitungszielbereich des Werkstücks führt, wobei die äußere Düse um die innere Düse herum angeordnet ist, wobei die äußere Düse das zweite Hilfsgas zum Rand des Bearbeitungszielbereichs des Werkstücks führt. Die Steuerungsvorrichtung steuert einen Gaszuführungszeitablauf zu Beginn der Laserbearbeitung so, dass ein Zeitpunkt der Zuführung des ersten Hilfsgases früher ist als ein Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Hilfsgases, und sie steuert einen Zeitablauf des Emittierens des Laserstrahls so, dass der Zeitpunkt des Emittierens des Laserstrahls später ist als der Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Hilfsgases.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung steuert bei Beginn der Laserbearbeitung den Zeitablauf der Zuführung des ersten Hilfsgases so, dass der Zeitpunkt der Zuführung des ersten Hilfsgases früher ist als der Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Hilfsgases. Als Folge davon kann verhindert werden, dass das später zugeführte zweite Hilfsgas aufgrund des Zuführungsdrucks des ersten Hilfsgases in dem ersten Hilfsgas aufgenommen wird. Somit ist es möglich, die Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases zu verhindern. Deshalb ist es möglich, die Qualität der bearbeiteten Oberfläche bei Beginn der Laserbearbeitung zu verbessern. Zudem ist es möglich, die Schlacke unter Verwendung des Hilfsgases wirksam zu entfernen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, welches eine Konfiguration eines Laserbearbeitungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
- 2 ist ein Diagramm, welches eine innere Konfiguration eines Laserkopfes gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
- 3 ist ein Diagramm, welches einer X-X-Querschnittsansicht eines Bearbeitungskopfes gemäß der Ausführungsform in 2 entspricht.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Isolationsteils gemäß der ersten Ausführungsform.
- 5 ist eine Draufsicht des Isolationsteils gemäß der ersten Ausführungsform.
- 6 ist eine Querschnittsansicht eines Düsenmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform.
- 7 ist eine Draufsicht des Düsenmechanismus gemäß der ersten Ausführungsform.
- 8 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerung zeigt, die bei Beginn der Laserbearbeitung gemäß der ersten Ausführungsform durchzuführen ist.
- 9 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerung zeigt, die am Ende der Laserbearbeitung gemäß der ersten Ausführungsform durchzuführen ist.
- 10 ist ein Diagramm, welches eine Positionsbeziehung zwischen der Spitze einer inneren Düse und der Spitze einer äußeren Düse bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch zeigt.
- 11 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Durchmesser einer inneren Düse und dem Durchmesser einer äußeren Düse, die in einem Düsenmechanismus einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform enthalten sind, schematisch zeigt.
- 12 ist ein Diagramm, welches die Positionen der Spitze des Düsenmechanismus und eines Werkstücks und eine Beziehung zwischen dem Durchmesser einer inneren Düse und dem Durchmesser einer äußeren Düse bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben.
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Erste Ausführungsform.
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1 ist ein Diagramm, welches eine Konfiguration eines Laserbearbeitungssystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform schematisch zeigt. Das Laserbearbeitungssystem 1 umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10, eine erste Gasquelle 20 und eine zweite Gasquelle 30. Die erste Gasquelle 20 ist mit einem ersten Hilfsgas gefüllt. Die zweite Gasquelle 30 ist mit einem zweiten Hilfsgas gefüllt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 bearbeitet ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls. Ein Bereich des Werkstücks, der durch den Laserstrahl zu bearbeiten ist, wird nachfolgend als Bearbeitungszielbereich bezeichnet. Das Laserbearbeitungssystem 1 verwendet das erste Hilfsgas, um die Schlacke zu entfernen, die während der Laserbearbeitung erzeugt wird, und es entfernt die erzeugte Schlacke im Wesentlichen koaxial zu dem Laserstrahl. Das Laserbearbeitungssystem 1 verwendet das zweite Hilfsgas, um das erste Hilfsgas zu umgeben und abzuschirmen. Somit kann verhindert werden, dass das erste Hilfsgas woanders hin als zu dem Bearbeitungszielbereich gelangt und eine Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases unterdrückt wird. Entsprechend nimmt die Qualität der bearbeiteten Oberfläche bei Beginn der Laserbearbeitung nicht ab. Ferner wird ein Schlacke genanntes geschmolzenes Material während der Laserbearbeitung an dem Bearbeitungszielbereich erzeugt. Da jedoch die Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases unterdrückt werden kann, ist es möglich, die Schlacke, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Laserstrahls hinten erzeugt wird, zu entfernen.
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Weitere Details werden nun beschrieben. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst: einen Laser 11; einen Strahlausbreitungspfad 12, durch den der von dem Laser 11 emittierte Laserstrahl verläuft; einen Tisch 13, auf dem ein Werkstück W angeordnet ist; einen Laserkopf 14, der so angeordnet ist, dass er dem Tisch 13 zugewandt ist und den Laserstrahl, der durch den Strahlausbreitungspfad 12 gelaufen ist, zu dem Werkstück W führt. Das Werkstück W ist beispielsweise eine Platte aus Metall. Beispiele des Metalls umfassen rostfreien Stahl, Aluminium und Weichstahl. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ferner eine erste Gaszuführungsleitung 15, die das erste Hilfsgas von der ersten Gasquelle 20 zu dem Laserkopf 14 führt; und eine zweite Gaszuführungsleitung 16, die das zweite Hilfsgas von der zweiten Gasquelle 30 zu dem Laserkopf 14 führt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ferner eine Steuerungsvorrichtung 17, die den Laser 11, die erste Gasquelle 20 und die zweite Gasquelle 30 steuert; und eine Antriebsvorrichtung 18.
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Der Laserkopf 14 umfasst einen Strahlzuführungspfad 14a zum Führen des Laserstrahls, der durch den Strahlausbreitungspfad 12 gelaufen ist, zu einem Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W. Eine Öffnung an der Spitze des Strahlzuführungspfads 14a ist nahe dem Zentrum der Spitze des Laserkopfs 14 vorgesehen. Die erste Gaszuführungsleitung 15 ist mit dem Strahlzuführungspfad 14a verbunden. Der Strahlzuführungspfad 14a dient auch als ein erster Gaszuführungspfad, der das erste Hilfsgas, das durch die erste Gaszuführungsleitung 15 zugeführt wird, zu dem Bearbeitungszielbereich WO zu führen. Der Laserkopf 14 umfasst auch einen zweiten Gaszuführungspfad 14b, mit dem die zweite Gaszuführungsleitung 16 verbunden ist. Der zweite Gaszuführungspfad 14b ist derart gebildet, dass er den Strahlzuführungspfad 14a umgibt und das zweite Hilfsgas zum Rand des Bearbeitungszielbereichs WO führt. Als Folge davon wird das zweite Hilfsgas um das erste Hilfsgas herum geblasen und wirkt als eine Abschirmung, die es verhindert, dass das erste Hilfsgas woanders hin als zu dem Bearbeitungszielbereich WO gelangt.
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In dem Laserbearbeitungssystem 1 steuert die Steuerungsvorrichtung 17 den Laser 11, die erste Gasquelle 20 und die zweite Gasquelle 30 bei Beginn der Laserbearbeitung. Der Beginn der Laserbearbeitung bezeichnet einen Zeitpunkt, zu dem die Steuervorrichtung 17 die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nach dem Start der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 zum Starten der Laserbearbeitung ansteuert. D. h., die Zuführung der Hilfsgase und die Emission des Laserstrahls werden nach Beginn der Laserbearbeitung gestartet. In der ersten Ausführungsform steuert die Steuerungsvorrichtung 17 den Zeitablauf der Zuführung des ersten Hilfsgases so, dass der Zeitpunkt der Zuführung des ersten Hilfsgases früher ist als der Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Hilfsgases. Zudem steuert die Steuerungsvorrichtung 17 den Zeitablauf der Emission des Laserstrahls so, dass der Zeitpunkt der Emission des Laserstrahls später ist als der Zeitpunkt der Zuführung des zweiten Hilfsgases. Bei dem Laserbearbeitungssystem 1 bezeichnen die Zeitabläufe zum Zuführen der Hilfsgase die Zeitabläufe des Ausstoßens des ersten und des zweiten Hilfsgases von einem Düsenmechanismus 3.
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Im Ergebnis kann es vermieden werden, dass das später zugeführte zweite Hilfsgas in das erste Hilfsgas eindringt, und zwar aufgrund des Drucks des ersten Hilfsgases. Es ist somit möglich, eine Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases zu verhindern. Deshalb ist es möglich, die Qualität der bearbeiteten Fläche beim Beginn der Laserbearbeitung zu verbessern, und die Schlacke kann durch das erste Hilfsgas wirksam entfernt werden.
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ferner die Antriebsvorrichtung 18, die eine Instruktion von einem Benutzer erhält und die Steuervorrichtung 17 in Übereinstimmung mit der erhaltenen Instruktion betreibt. Die Treibervorrichtung 18 hat auch die Funktion, die Position des Laserkopfs 14 in Übereinstimmung mit der Instruktion von dem Benutzer zu steuern.
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer internen Konfiguration des Laserkopfs 14. Der Laserkopf 14 umfasst den Düsenmechanismus 3, ein Isolationsteil 4 und einen Bearbeitungskopf 5 und weist eine Schicht bzw. Sandwich-Struktur auf, bei der das Isolationsteil 4 schichtweise zwischen dem Düsenmechanismus 3 und dem Bearbeitungskopf 5 angeordnet ist.
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Der Düsenmechanismus 3 umfasst eine innere Düse 3a und eine äußere Düse 3b. Die innere Düse 3a und die äußere Düse 3b haben jeweils eine konusartige Gestalt. Die äußere Düse 3b ist größer als die innere Düse 3a, und die innere Düse 3a ist innerhalb der äußeren Düse 3b angeordnet. Die innere Düse 3a bildet einen Teil des Strahlzuführungspfads 14a und führt einen Laserstrahl L, der von dem Laser 11 emittiert wird, und ein erstes Hilfsgas G1, das von der ersten Gasquelle 20 über die erste Gaszuführungsleitung 15 zugeführt wird, dem Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W zu. Die äußere Düse 3b bildet einen Teil der zweiten Gaszuführungsleitung. Die äußere Düse 3b ist um die innere Düse 3a herum vorgesehen und führt ein zweites Hilfsgas G2 von der zweiten Gasquelle 30 über die zweite Gaszuführungsleitung 16 zum Rand des Bearbeitungszielbereichs WO.
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Der Bearbeitungskopf 5 ist mit dem Strahlausbreitungspfad 12 verbunden. Deshalb ist der Strahlzuführungspfad 14a, durch den der Laserstrahl L, der den Strahlausbreitungspfad 12 durchlaufen hat, hindurchläuft, in Draufsicht im Wesentlichen im Zentrum des Bearbeitungskopfs 5 ausgebildet. Der Strahlzuführungspfad 14a ist über das Isolationsteil 4 mit der inneren Düse 3a verbunden. Bei dieser Konfiguration durchläuft der zu dem Laserkopf 14 geführte Laserstrahl L den Strahlzuführungspfad 14a und wird dann über die innere Düse 3a zu dem Bearbeitungszielbereich WO geführt.
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Zudem ist ein Gaszuführungspfad 51h (erste Vergleichmäßigungseinheit) mit der erstem Gaszuführungsleitung 15 verbunden und in dem Bearbeitungskopf 5 ausgebildet. 3 zeigt eine X-X-Querschnittsansicht des Bearbeitungskopfs 5 entlang der in 2 gezeigten strichpunktierten Linie. Wie in 3 gezeigt, ist eine Mehrzahl von (acht) Gaszuführungspfaden 51h in Draufsicht konzentrisch um den Strahlzuführungspfad 14a in regelmäßigen Abständen ausgebildet, und die Gaszuführungspfade 51h kommunizieren mit dem Strahlzuführungspfad 14a auf einer Seite, die einer Seite gegenüberliegt, wo die erste Gaszuführungsleitung 15 mit den Gaszuführungspfaden 51h verbunden ist. Als Folge davon wird der Fluss des ersten Hilfsgases G1, das durch die erste Gaszuführungsleitung 15 zugeführt wird, vergleichmäßigt und zu dem Strahlzuführungspfad 14a geführt. Deshalb kann das erste Hilfsgas G1 dem Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W durch den Strahlzuführungspfad 14a gleichmäßig zugeführt werden. Bei dieser Konfiguration werden die vergleichsmäßigten Flüsse des ersten Hilfsgases G1 so zugeführt, dass sie in einer Querschnittsansicht ein kreisförmiges Muster bilden. Somit kann die Qualität der bearbeiteten Fläche verbessert werden, und zwar unabhängig von der Richtung der Laserbearbeitung, sodass die Schlacke wirksam entfernt werden kann.
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Das Isolationsteil 4 ist eine Düsenspitzenkomponente, und es ist eine Komponente, die für die Düsenhöhenkontrolle verwendet wird. Das Isolationsteil 4 hat in der ersten Ausführungsform die Funktion, den Fluss des zweiten Hilfsgases G2, das von der zweiten Gaszuführungsleitung 16 zugeführt wird, durch den Bearbeitungskopf 5 hindurch zu vergleichmäßigen. Insbesondere weist das Isolationsteil 4 eine zylindrische Gestalt auf, wie dies in den 4 und 5 gezeigt ist. Der Strahlzuführungspfad 14a und eine Mehrzahl von Gaszuführungspfaden 41h (zweite Vergleichmäßigungseinheiten) sind in dem Isolationsteil 4 gebildet. Die Gaszuführungspfade 41h sind um den Strahlzuführungspfad 14a herum in im Wesentlichen gleichen Abständen angeordnet. Die Anzahl der Gaszuführungspfade 41h ist gleich der Anzahl der Gaszuführungspfade der äußeren Düse 3b, und jeder Gaszuführungspfad 41h kommuniziert mit einem entsprechenden der Gaszuführungspfade der äußeren Düse 3b. D. h., dass, wie in 5 gezeigt, eine Mehrzahl von (acht) Gaszuführungspfaden 41h in einer Draufsicht konzentrisch ausgebildet ist. Als Folge der Bereitstellung des Isolationsteils 4 mit der Funktion zur Vergleichmäßigung des Gasflusses ist es nicht notwendig, den Düsenmechanismus 3 mit der Funktion der Vergleichmäßigung des Gasflusses zu versehen, sodass die Struktur des Düsenmechanismus 3 vereinfacht werden kann.
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Bei dieser Konfiguration wird das zweite Hilfsgas, das dem Bearbeitungskopf 5 durch die zweite Gaszuführungsleitung 16 zugeführt wird, von jedem Gaszuführungspfad 41h direkt zu einem entsprechenden Gaszuführungspfad der äußeren Düse 3b zugeführt. D. h., es ist möglich, das zweite Hilfsgas gleichmäßig zu dem Rand des Bearbeitungszielbereichs WO des Werkstücks W zu führen, und zwar ohne Zurückhaltung des zweiten Hilfsgases.
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Die innere Düse 3a des Düsenmechanismus 3 ist entlang einer Richtung ausgebildet, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W steht. Insbesondere ist die innere Düse 3a, wie in 6 gezeigt, so gebildet, dass der innere Durchmesser der inneren Düse 3a in einer Querschnittsansicht umso größer ist, je weiter der Abstand von dem Werkstück zunimmt. Ferner ist die äußere Düse 3b so vorgesehen, dass sie die innere Düse 3a umgibt. Insbesondere weist die äußere Düse 3b, wie in 7 gezeigt, eine Mehrzahl von Löchern 32h auf, die in einer Draufsicht konzentrisch um die innere Düse 3a herum ausgebildet sind. Wie vorangehend beschrieben, hat die Mehrzahl von Löchern 32h die Funktion, das zweite Hilfsgas, dass durch die Gaszuführungspfade 41h, die in dem Isolationsteil 4 vorgesehen sind, zugeführt wurde, zu dem Rand des Bearbeitungszielbereichs WO zu führen. In dem in 7 gezeigten Beispiel sind acht Löcher 32h in der äußeren Düse 3b gebildet.
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Bei dieser Konfiguration wird der Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W durch den durch die innere Düse 3a zugeführten Laserstrahl L bearbeitet, und wenn, wie in 2 gezeigt, ein Loch H geöffnet wird, wird Schlacke D, welche geschmolzenes Material ist, erzeugt. Da wurde allerdings bereits das erste Hilfsgas von der inneren Düse 3a zugeführt, bevor der Laserstrahl zugeführt wird. Deshalb wird, sobald die Schlacke D erzeugt wird, die Schlacke D von dem Loch H nach unten, d. h. von der Seite einer Fläche WN zu einer Rückseite WF des Werkstücks W, geblasen, wie in der Zeichnung dargestellt. Da zu diesem Zeitpunkt die Reinheit des ersten Hilfsgases nicht abgenommen hat, kann die Verschlechterung der Qualität der Werkstückfläche die laserbearbeitet werden sollen, unterdrückt werden, und die Schlacke D kann wirksam entfernt werden.
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8 ist ein Flussdiagramm, welches eine Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 17 bei Beginn der Laserbearbeitung zeigt. Wenn sie von den Benutzern instruiert wird, die Laserbearbeitung zu beginnen, steuert die Steuerungsvorrichtung 17 die erste Gasquelle 20 an, um das erste Hilfsgas über die erste Gaszuführungsleitung 15 dem Laserkopf 14 zuzuführen (S101). In diesem Fall steuert die Steuerungsvorrichtung 17 die erste Gasquelle 20 so, dass der Zuführungsdruck des ersten Hilfsgases wenigstens einen Druck erreicht, der zur Entfernung von Schlacke als ausreichend betrachtet wird. Insbesondere steuert die Steuerungsvorrichtung 17 die erste Gasquelle 20 basierend auf einem vorbestimmten Zuführungsdruckwert, der in einem Speicher (nicht dargestellt) gespeichert ist, sodass der Zuführungsdruck des ersten Hilfsgases den Druckwert erreicht.
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Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit (beispielsweise 100 bis 500 ms) ab dem Start der Zuführung des ersten Hilfsgases steuert die Steuerungsvorrichtung 17 dann die zweite Gasquelle 30 an, um das zweite Hilfsgas über die zweite Gaszuführungsleitung 16 dem Laserkopf 14 zuzuführen (S102). Wenn das zweite Hilfsgas zugeführt wird, wurde das erste Hilfsgas bereits mit dem vorangehend beschriebenen Druck zugeführt, sodass das zweite Hilfsgas, das zu dem Rand des Bearbeitungszielbereichs WO geblasen wird, das erste Hilfsgas umgibt und abschirmt, ohne in dem ersten Hilfsgas aufgenommen zu werden. Dies bedeutet, dass das zweite Hilfsgas nicht mit dem ersten Hilfsgas vermischt wird. Deshalb nimmt die Reinheit des ersten Hilfsgases nicht ab.
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Nachdem eine vorbestimmte Zeitdauer (beispielsweise 100 bis 500 ms) nach dem Start der Zuführung des zweiten Hilfsgases verstrichen ist, steuert die Steuerungsvorrichtung 17 dann den Laser 11 an, um den Laserstrahl L zu emittieren (S103). Als Folge davon wird der Laserstrahl L durch die innere Düse 3a in dem Laserkopf 14 zu dem Bearbeitungszielbereich WO des Werkstücks W geführt, sodass die Laserbearbeitung beginnt. Zu diesem Zeitpunkt wurden das erste Hilfsgas und das zweite Hilfsgas bereits zugeführt, und die Reinheit des ersten Hilfsgases hat nicht abgenommen. Deshalb kann die Verschlechterung der Qualität der durch Laserbearbeitung bearbeiteten Oberfläche unterdrückt werden, und die durch die Laserbearbeitung erzeugte Schlacke kann durch das erste Hilfsgas wirksam entfernt werden.
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Die Zeit zwischen dem Beginn der Zuführung des ersten Hilfsgases und dem Beginn der Zuführung des zweiten Hilfsgases wird durch eine Mehrzahl von Parametern bestimmt. Insbesondere wird die optimale Zeit unter Betrachtung von verschiedenen Laserbearbeitungsparametern bestimmt, wie etwa: Gasdruck; Gaszuführungsmenge; Innendurchmesser der inneren Düse und Innendurchmesser der äußeren Düse; Positionsbeziehung zwischen der inneren Düse und der äußeren Düse; Art des Werkstücks; Arten der Hilfsgase; und Bearbeitungsverfahren. Wenn die vorangehend beschriebene Zeit bestimmt ist, wird beispielsweise der Gasdruck so gesteuert, dass das zweite Hilfsgas so zugeführt wird, dass die Reinheit des ersten Hilfsgases nicht abnimmt. Als Folge davon kann die Verschlechterung der Qualität der bearbeiteten Fläche des durch Laserbearbeitung bearbeiteten Werkstücks unterdrückt werden, und die durch die Laserbearbeitung erzeugte Schlacke kann wirksamer entfernt werden. Das gleiche gilt für die Zeit zwischen dem Beginn der Zuführung des zweiten Hilfsgases und dem Beginn der Emission des Laserstrahls.
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Nun wird die durch die Steuerungsvorrichtung 17 durchgeführte Steuerung am Ende der Laserbearbeitung beschrieben. 9 ist ein Flussdiagramm, welches die durch die Steuerungsvorrichtung 17 durchgeführte Steuerung am Ende der Laserbearbeitung zeigt. Wenn eine Instruktion zum Beenden der Laserbearbeitung durch den Benutzer ausgegeben wird oder eine Instruktion zum Beenden der Laserbearbeitung durch ein vorbestimmtes Programm ausgegeben wird, steuert die Steuerungsvorrichtung 17 den Laser 11 an, um die Emission des Laserstrahls L zu stoppen (S201). Die Steuerungsvorrichtung 17 steuert nach einer vorbestimmten Zeitdauer (beispielsweise 100 bis 500 ms) die zweite Gasquelle 30 an, um das zweite Hilfsgas zu stoppen (S202), und sie steuert nach Ablauf der vorbestimmten Zeit die erste Gasquelle 20 an, um das erste Hilfsgas zu stoppen.
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Wie vorangehend beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform bei Beginn der Laserbearbeitung das erste Hilfsgas G1 mit einem Druck zugeführt, der ausreicht, um die Schlacke zu entfernen. Dann wird die Zuführung des zweiten Hilfsgases G2 gestartet, sodass das erste Hilfsgas G1 durch das zweite Hilfsgas G2 abgeschirmt ist. Hiernach wird der Laserstrahl emittiert. Als Folge davon ist es möglich, eine Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases G1 zu verhindern und die Schlacke zu entfernen, sodass die Qualität des Werkstücks verbessert werden kann.
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Ferner wird am Ende der Laserbearbeitung zuerst die Zuführung des Laserstrahls L gestoppt, dann wird die Zuführung des zweiten Hilfsgases gestoppt und dann wird die Zuführung des ersten Hilfsgases gestoppt. Deshalb ist es möglich, den Eintritt des zweiten Hilfsgases in die innere Düse zu unterdrücken, d. h. einen Rückfluss des zweiten Hilfsgases in die innere Düse zu unterdrücken. Ferner wird die Zuführung der Gase gestoppt, nachdem die durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl L erzeugte Schlacke vollständig entfernt ist. Deshalb verbleibt keine Schlacke, und es wird keine erzeugte Schlacke durch die Hilfsgase aufgewirbelt, um in das Innere des Laserkopfes 14 zu gelangen. Deshalb ist es möglich, eine Abnahme der Bearbeitungsgenauigkeit zu vermeiden.
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Es sei angemerkt, dass der Fall, in dem der Zuführungsdruck des ersten Hilfsgases G1 auf einen Druck eingestellt wird, der zur Entfernung der Schlacke als ausreichend betrachtet wird, in der vorangegangenen Beschreibung lediglich als ein Beispiel genannt wurde. Anstatt des Zuführungsdrucks des ersten Hilfsgases G1 kann nämlich die Zuführungsmenge des ersten Hilfsgases G1 so eingestellt werden, dass die Menge als ausreichend betrachtet wird, um die Schlacke zu entfernen. Ferner kann der Zuführungsdruck des zweiten Hilfsgases G2 auf einen Druck eingestellt werden, der größer ist als der Zuführungsdruck des ersten Hilfsgases G1. Als Folge davon kann das erste Hilfsgas G1 durch das zweite Hilfsgas G2 abgeschirmt werden. Deshalb ist es möglich, die Abnahme der Reinheit des ersten Hilfsgases G1 zu unterdrücken und das erste Hilfsgas G1 effizient zuzuführen.
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Anstatt der obigen Beschreibung kann beispielsweise das zweite Hilfsgas G2 gestoppt werden, nachdem das erste Hilfsgas G1 gestoppt ist.
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Zweite Ausführungsform
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10 ist eine schematische Ansicht einer Spitze und eines umgebenden Teils des Düsenmechanismus 3 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Düsenmechanismus 3 weist eine Konfiguration auf, bei der die Spitze einer inneren Düse 31 gegenüber der Spitze einer äußeren Düse 32 zur Innenseite des Düsenmechanismus 3 hin zurückgesetzt ist (die Spitze des Düsenmechanismus ist näher auf der Seite der Hilfsgasquelle angeordnet). Ein Abstand „d“ zwischen der Spitze der inneren Düse 31 und der Spitze der äußeren Düse 32 ist gleich oder größer als 0. Wenn beispielsweise die Spitze der inneren Düse gegenüber der Spitze der äußeren Düse um 10 mm zurückgesetzt ist, wird der Abstand „d“ als d = 10 mm beschrieben, und wenn die Spitze der inneren Düse gegenüber der Spitze der äußeren Düse um 10 mm vorsteht, wird der Abstand „d“ als d = -10 mm ausgedrückt.
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Bei dieser Konfiguration ist der Zustand, in dem das erste Hilfsgas G1 durch das zweite Hilfsgas abgeschirmt ist, besser eingestellt als in einer Konfiguration (d = 0) des Düsenmechanismus 3 gemäß der ersten Ausführungsform, wie in 12 gezeigt. Dies bedeutet, dass bei der Konfiguration der in 12 gezeigten ersten Ausführungsform das erste Hilfsgas G1 in einem Zustand zugeführt wird, in dem sich das erste Hilfsgas G1 und das zweite Hilfsgas G2 wahrscheinlich mischen. In der Konfiguration gemäß der in 10 gezeigten zweiten Ausführungsform hingegen ist das zweite Hilfsgas G2 nahe dem ersten Hilfsgas G1 angeordnet und schirmt das erste Hilfsgas G1 ab. In der Konfiguration gemäß der zweiten Ausführungsform wird das erste Hilfsgas G1 also eingeströmt, während es durch den Druck des zweiten Hilfsgases in der Nähe des Bearbeitungszielbereichs WO komprimiert wird (das erste Hilfsgas G1 wird als ein innerer Strom zugeführt), und dies im Vergleich zu der Konfiguration gemäß der ersten Ausführungsform. Man kann auch sagen, dass die Reinheit des ersten Hilfsgases G1 von dem Bearbeitungszielbereich WO hin zur Außenseite in Radialrichtung des Düsenmechanismus 3 eingestellt wird. Als Folge davon kann die Verschlechterung der Qualität der durch die Laserbearbeitung bearbeiteten Fläche unterdrückt werden, und die durch die Laserbearbeitung erzeugte Schlacke kann mit höherer Genauigkeit entfernt werden.
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Ferner gibt es Fälle, in denen Laserbearbeitung an rostfreiem Stahl als Werkstück W unter Verwendung von Stickstoff als erstes Hilfsgas und Luft als zweites Hilfsgas durchgeführt wird. In solchen Fällen ist es notwendig, die oxidative Verfärbung des Werkstücks W aufgrund der Exposition des Bearbeitungszielbereichs WO an Luft zu vermeiden. Wenn die Positionsbeziehung zwischen der inneren Düse 3a und der äußeren Düse 3b des Düsenmechanismus 3 wie in der vorliegenden Ausführungsform, d. h. der zweiten Ausführungsform, eingestellt wird, ist es möglich, die Vermischung von Stickstoff und Luft zu unterdrücken. Es ist somit möglich, die Verfärbung der bearbeiteten Oberfläche aufgrund von Oxidation des Werkstücks W zu verhindern, die entsteht, wenn der Bearbeitungszielbereich WO Luft ausgesetzt ist.
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Wenn ferner Laserbearbeitung an Weichstahl als Werkstück durchgeführt wird, so wird die Bearbeitung in einigen Fällen unter Verwendung von mit Luft gemischtem Gas durchgeführt, um die Erzeugung von Schlacke zu unterdrücken. In solchen Fällen ist es nötig, einen bestimmten Gaserzeuger zum Vorbereiten des gemischten Gases zu verwenden. Wenn der Düsenmechanismus 3 wie in der vorliegenden Ausführungsform, d. h. der zweiten Ausführungsform, konfiguriert ist, können die Zustromeigenschaften des ersten und des zweiten Hilfsgases eingestellt werden, sodass es nicht notwendig ist, einen bestimmten Gaserzeuger zu verwenden.
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Wie vorangehend beschrieben ist es bei der zweiten Ausführungsform möglich, die Bearbeitungsbedingungen in Übereinstimmung mit verschiedenen Arten von Werkstücken W und Hilfsgasen einzustellen, indem der Abstand zwischen der inneren Düse 3a und der äußeren Düse 3b in dem Düsenmechanismus 3 und zu der Oberfläche des Werkstücks eingestellt wird. Insbesondere ist es möglich, die vorangehend beschriebene Einstellung durch Festlegen des Abstands „d“ auf einen Wert vorzunehmen, der gleich oder größer als 0 ist.
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Dritte Ausführungsform.
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11 zeigt die Beziehung zwischen einem Durchmesser D1 der inneren Düse 31 und einem Durchmesser D2 der äußeren Düse 32 des Düsenmechanismus 3 gemäß einer dritten Ausführungsform. Hierbei bezieht sich der Durchmesser der Düse auf den Innendurchmesser der Spitze der Düse. 11 zeigt schematisch den Düsenmechanismus 3, bei dem D1 und D2 gleich sind. Ferner zeigt 12 schematisch den Düsenmechanismus D3, bei dem D1 kleiner ist als D2.
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In der zweiten Ausführungsform kann der Zustand, wo das erste Hilfsgas G1 durch das zweite Hilfsgas G2 abgeschirmt ist, besser eingestellt werden. Das bedeutet, dass bei der in 11 gezeigten Gestalt das erste Hilfsgas G1 in der Nähe des Bearbeitungszielbereichs von dem zweiten Hilfsgas G2 umgeben (das erste Hilfsgas G1 wird als innerer Strom zugeführt) und durch dieses komprimiert wird, und dies im Vergleich zu der in 12 gezeigten Form. Man kann auch sagen, dass die Reinheit des ersten Hilfsgases G1 von dem Bearbeitungszielbereich hin zur Außenseite in Radialrichtung des Düsenmechanismus eingestellt wird. Als Folge davon kann die Verschlechterung der Qualität der durch die Laserbearbeitung bearbeiteten Fläche unterdrückt werden und die durch die Laserbearbeitung erzeugte Schlacke kann mit hoher Genauigkeit entfernt werden. Das bedeutet, dass es bei der vorliegenden Ausführungsform, d. h. der dritten Ausführungsform, möglich ist, die Bearbeitungsbedingungen in Übereinstimmung mit verschiedenen Arten von Werkstücken W und Hilfsgasen durch die Beziehung zwischen dem Durchmesser der inneren Düse und dem Durchmesser der äußeren Düse in dem Düsenmechanismus wie bei der zweiten Ausführungsform einzustellen. Insbesondere ist es möglich, die vorangehend beschriebene Anpassung durch Einstellen von D2 auf einen Wert gleich oder größer als D1 vorzunehmen.
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Wenigstens einige der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17, die in der Laserbearbeitungsvorrichtung nach einer der vorangehenden Ausführungsformen enthalten ist, können durch einen Prozessor implementiert sein, der Programme ausführt, die in dem Speicher gespeichert sind. Der Prozessor ist eine zentrale Prozessierungseinheit (CPU), eine Prozessierungsvorrichtung, eine arithmetische Vorrichtung, ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer oder ein digitaler Signalprozessor (DSP).
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In dem Fall, in dem wenigstens eine der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17 durch den Prozessor implementiert sind, sind diese Funktionen durch den Prozessor und Software, Firmware oder eine Kombination von Software und Firmware implementiert. Die Software oder Firmware ist in einem Programm beschrieben und in dem Speicher gespeichert. Der Prozessor implementiert wenigstens einige der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17, indem er die in dem Speicher gespeicherten Programme liest und ausführt.
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Dies bedeutet, dass in dem Fall, in dem wenigstens einige der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17 durch den Prozessor implementiert sind, die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 den Speicher zum Speichern des Programms umfasst, welches schließlich die Schritte ausführen lässt, die durch wenigstens einen Teil der Steuerungsvorrichtung ausgeführt werden. Man kann auch sagen, dass die in dem Speicher gespeicherten Programme jeweils einen Computer veranlassen, eine Prozedur oder ein Verfahren auszuführen, dass durch wenigstens den Teil der Steuerungsvorrichtung 17 auszuführen ist.
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Beispiele des Speichers umfassen einen nichtflüchtigen oder einen flüchtigen Halbleiterspeicher, wie etwa einen Wahlzugriffsspeicher (RAM), einen Nur-Lese-Speicher (ROM), einen Flash-Speicher, einen löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM) und einen elektrisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM) (registrierte Handelsmarke), eine Magnetplatte, eine flexible Platte, eine optische Platte, eine Kompakt-Disk, eine Mini-Disk und eine Digital-Versatile-Disk (DVD).
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Wenigstens einige der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17, die in der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gemäß einer der Ausführungsformen enthalten ist, können durch Prozessierungsschaltungen implementiert sein.
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Die Prozessierungsschaltungen sind dedizierte Hardware. Beispiele der Prozessierungsschaltungen umfassen eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, einen programmierten Prozessor, einen parallel programmierten Prozessor, eine applikationsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gatterfeld (FPGA) und eine Kombination von diesen. Ein Teil der Steuerungsvorrichtung 17 kann dedizierte Hardware sein, die von dem Rest getrennt ist.
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In Bezug auf eine Mehrzahl der Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17 können einige der Mehrzahl von Funktionen durch Software oder Firmware implementiert sein und der Rest der Mehrzahl von Funktionen kann durch die dedizierte Hardware implementiert sein. Somit kann die Mehrzahl von Funktionen der Steuerungsvorrichtung 17 durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination von diesen implementiert sein.
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Einige der Mehrzahl von Funktionen der Treibervorrichtung 18 kann durch einen Prozessor implementiert sein. In dem Fall, in dem einige der Mehrzahl von Funktionen der Treibervorrichtung 18 durch einen Prozessor implementiert sind, umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 einen Speicher zum Speichern der Programme, welche schließlich die Ausführung von Schritten verursachen, wobei die Schritte den einigen Funktionen entsprechen. Wenigstens einige der konstituierenden Elemente, die in der Treibervorrichtung 18 enthalten sind, können durch Prozessierungsschaltungen implementiert sein.
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Die in den obigen Ausführungsformen angegebenen Konfigurationen zeigen Beispiele des Gegenstands der vorliegenden Erfindung, und es ist möglich, die Konfigurationen mit anderen bekannten Techniken zu kombinieren, und es ist auch möglich, an einem Teil der Konfiguration Änderungen vorzunehmen oder diese wegzulassen, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserbearbeitungssystem;
- 3
- Düsenmechanismus;
- 4
- Isolationsteil;
- 5
- Bearbeitungskopf;
- 10
- Laserbearbeitungsvorrichtung;
- 11
- Laser;
- 12
- Strahlausbreitungspfad;
- 13
- Tisch;
- 15
- erste Gaszuführungsleitung;
- 16
- zweite Gaszuführungsleitung;
- 17
- Steuerungsvorrichtung;
- 18
- Treibervorrichtung;
- 20
- erste Gasquelle;
- 30
- zweite Gasquelle;
- 31
- innere Düse;
- 32
- äußere Düse;
- 32h
- Loch;
- 41h
- Gaszuführungspfad;
- 51h
- Gaszuführungspfad;
- D
- Schlacke;
- G1
- erstes Hilfsgas;
- G2
- zweites Hilfsgas;
- H
- Loch;
- L
- Laserstrahl;
- W
- Werkstück;
- WN
- Oberfläche des Werkstücks;
- WF
- Rückseite des Werkstücks
