JP2002144061A - 加工装置 - Google Patents

加工装置

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JP2002144061A
JP2002144061A JP2000335660A JP2000335660A JP2002144061A JP 2002144061 A JP2002144061 A JP 2002144061A JP 2000335660 A JP2000335660 A JP 2000335660A JP 2000335660 A JP2000335660 A JP 2000335660A JP 2002144061 A JP2002144061 A JP 2002144061A
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雅彦 妻鹿
Takashi Ishide
孝 石出
Yoshio Hashimoto
義男 橋本
Masami Koiwa
正巳 小岩
Tadashi Tsuji
正 辻
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 オシレート幅の変更等、加工条件の変更を容
易に行い得るとともに、常に一定の方向から金属材料を
供給して均質な造形部を形成することができる加工装置
を提供する。 【解決手段】 レーザ光を加工面に向けて照射するレー
ザヘッド1を、水平方向に移動可能にガイド部材14の
ガイド孔14aを介して支持するとともに、このレーザ
ヘッド1が当該加工の加工進行方向に対して常に直角方
向にオシレートするよう、回動中心O1 を中心としてモ
ータ13でガイド部材14を回動させる一方、オシレー
ト幅を独立して変更可能に形成し、さらにレーザ光の照
射部に向けて金属粉末を供給する金属粉末供給ノズル5
が、上記加工進行方向において常にヘッド本体4の前方
に位置するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は加工装置に関し、特
にレーザ光の照射により金属粉を溶融し、その後凝固さ
せることにより金属製品の造形、肉盛、補修を行う場合
に適用して有用なものである。 【0002】 【従来の技術】金属製品の造形、肉盛、補修等を実施す
るために、金属粉末をレーザ照射部に供給して溶融し、
その後この金属粉末を凝固させることにより当該金属製
品の造形、肉盛、補修を行うレーザ加工装置が提案され
ている。図4はこの種のレーザ加工装置のヘッド部分を
抽出して示す図で、(a)は平面図、(b)は縦断面図
である。両図に示すように、レーザヘッド1は、円錐状
に形成された下端開口部からレーザ光2を基材(金属部
材)3に向けて照射する円筒円錐状部材であるヘッド本
体4と、レーザ光2の照射点に金属粉末を供給するため
の金属粉末供給ノズル5とを有している。ここで、レー
ザヘッド1はレーザ光2を集光する光学系6をその下部
に内蔵しており、この光学系6でそのビーム径を絞った
後、焦点位置を過ぎてビーム径が若干広がった位置でレ
ーザ光2を基材3の加工面に照射するようになってい
る。レーザ光2の照射により基材3の表面には所定の溶
融池7が形成される。また、このときの基材3に照射す
るビーム径の大きさ、すなわち照射エネルギーは、レー
ザ光2の照射部分に供給された金属粉末が溶融・凝固し
て良好な金属の造形部9が形成されるように、光学系6
の位置調節により調節する。金属粉末供給ノズル5は支
持部材10を介してレーザヘッド1に固着してある。レ
ーザヘッド1はその全体が、例えばNC加工機に連結さ
れており、適正なNCデータの使用により、移動線に基
づいてレーザヘッド1を移動し、希望する形状の金属の
造形部9を形成する。すなわち、本装置では、レーザ光
2が金属製品である基材3に対して照射され、この照射
部分へ金属粉末が供給される結果、金属粉末が溶融・凝
固されて造形部9が形成される。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】上述の如きレーザ加工
装置において、例えば、図5(a)に示すような幅Wの
多層の3次元造形部(ここでは円筒の一部)9を形成し
たい場合、レーザ光2で形成される成形幅は小さいの
で、図5(b)に示すように、レーザヘッド1(図4参
照。)はオシレートをかけるようにジグザグに移動させ
て、レーザ光2及び金属粉末供給ノズル5(図4参
照。)を一体的に移動する必要がある。 【0004】実際に、レーザ光2の1パスで成形できる
金属層の形状(例えば、図6のhとW、通常は0.5〜
2cm程度)は、金属の種類(母材や造形部の融点、熱
伝導率等の物性に関連する)や、レーザ加工の条件(出
力、焦点ぼかし量、速度など)によるので、目標とする
造形形状を得るには、このような1パスの金属層の形状
と、それの積層の仕方の組合せを最適化する必要があ
る。 【0005】よって、成形幅を制御する場合、上述の如
き従来技術においては、図5(b)に示すように、レー
ザヘッド1が通過すべき位置を1,2,3,4,…とい
うように位置データとして予め教示する必要がある。こ
の結果、当該加工の加工進行方向の軌跡である加工線1
1に沿って造形部9を形成する。 【0006】かかる教示点は膨大であるばかりでなく、
加工条件が変わりオシレート幅Wが変わる度に全部を変
更しなければならない。 【0007】さらに、造形部9の高さに関し、この造形
部9の表面をうねらせないように施工する必要がある。
これには、レーザヘッド1の進行方向のビードのラップ
率を適正にすることが必要である。すなわち、希望する
高さで、うねりをださないように施工するには、レーザ
加工条件とラップ率等、駆動データとのマッチングをと
る必要がある。 【0008】かかる作業は、通常試行錯誤で行うこのた
め、この作業に多大の時間を要する。すなわち、かかる
条件適正化を行うとき、例えば図7に示すように、進行
方向(図7(a),(c),(e)中の上下方向)のラ
ップ率を変化させ、施工結果との対応を見て、最適なも
のを選択するというようなことが必要である。ここで、
図7(b),(d),(f)は、図7(a),(c),
(e)に示す造形部9の横断面形状をそれぞれ示してお
り、対となってレーザヘッド1の移動速度が異なる3つ
の場合の造形部9の形状を示している。何れの場合もオ
シレート幅は同じであるが、移動速度を図7(a),
(b)の状態から図7(e),(f)の状態へ向けて遅
くしたものである。 【0009】図8は、上記従来技術に係る装置における
レーザヘッド1の移動軌跡を概念的に示す説明である。
当該図8は、図5(b)に示す教示点データに基づきレ
ーザヘッド1が移動する場合の軌跡である。同図に示す
ように、従来技術に係る装置においては、レーザヘッド
1の姿勢は常に同じである。すなわち、当該加工の加工
進行方向の軌跡である加工線11が変化してもレーザヘ
ッド1は常に一定の姿勢を保持し続け、同図に示すよう
に、ヘッド本体4に対する金属粉末供給ノズル5の位置
関係は変わらない。このため、加工線11の曲線部で
は、金属粉末供給ノズル5を介する金属粉末の供給方向
が変化する。すなわち、或る位置では、例えば加工方向
に対してヘッド本体4の前方から金属粉末が供給される
のに対し、他の位置では同方向に対しヘッド本体4の横
方向から金属粉末が供給されということになり金属粉末
の供給方向が一定しない。このため、造形部9の形状の
均一化を図ることが困難になる。 【0010】以上、要するに従来技術に係るレーザ加工
装置は、次の2つの問題を有する。すなわち、レーザヘ
ッド1の移動位置を逐一教示しなけれはならないので、
かかる教示作業自体に多大の時間を要するばかりなく、
加工条件の変更等に対応してオシレート幅を変更する場
合、全ての教示点のデータを変更する必要があり、この
点でもさらに教示作業の作業性が悪化する。次に、レー
ザヘッド1の姿勢が常に一定であるため、加工方向に対
して前方、横方向、後方等の様々の位置から金属粉末が
供給される結果、造形部9の形状の均質化を図るのが困
難になる。 【0011】本発明は、上記従来技術に鑑み、オシレー
ト幅の変更等、加工条件の変更を容易に行い得るととも
に、常に一定の方向から金属材料を供給して均質な造形
部を形成することができる加工装置を提供することを目
的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は次の点を特徴とする。 【0013】1) 金属の基材の表面に向けて熱線を照
射するとともにこのときの照射部に向けて金属粉末を供
給することにより、この金属粉末を溶融し、その後凝固
させてこの金属粉末による造形部を上記基材の表面に形
成するようにした加工装置において、上記熱線を上記基
材に向けて照射するヘッド本体と、このヘッド本体に一
体的に固着されて上記熱線の照射部に向けて金属粉末を
供給する金属粉末供給ノズルとを一体化したヘッドを、
走行移動する装置本体に対し垂直軸回りに回動可能に支
持するとともに、ガイド部材に沿って水平方向にオシレ
ートするように支持し、さらに上記オシレートの際のオ
シレート幅を独立して変更可能に形成するとともに、ヘ
ッドが上記装置本体の走行方向に対し常に直角方向でオ
シレートするようにガイド部材を装置本体に対して回動
するように形成したこと。 【0014】2) 上記1)に記載する加工装置におい
て、熱線はレーザ光とし、ヘッド本体はレーザ光を照射
するレーザヘッド本体としたこと。 【0015】3) 上記1)又は2)に記載する加工装
置において、金属材料供給手段は、金属粉末を供給する
金属粉末供給ノズルであること。 【0016】4) 上記1)乃至3)の何れか一つに記
載する加工装置において、ガイド部材の回動中心点は、
ヘッドのオシレート軌跡である直線上の点と一致してい
ること。 【0017】5) 上記1)乃至3)の何れか一つに記
載する加工装置において、ガイド部材の回動中心は、ヘ
ッドのオシレート軌跡である直線の中点と一致している
こと。 【0018】6) 上記1)乃至5)の何れか一つに記
載する加工装置において、金属材料供給手段は、当該加
工の加工進行方向において常にヘッド本体の前方に位置
するように構成したこと。 【0019】 【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に
基づき詳細に説明する。 【0020】図1は本発明の実施の形態に係るレーザ加
工装置を示す構造図で、(a)は斜視図、(b)はその
A線矢視図、(c)はそのB線矢視図である。これらの
図に示すように、支持部材12は、NC加工装置の本体
(図示せず。)に固着してある。この支持部材12の先
端部には回転手段であるモータ13が配設してある。こ
のモータ13の回転軸13aは、水平方向に伸びるガイ
ド部材14の中心部に固着してある。かくして、モータ
13は、ガイド部材14を垂直軸回りに回動するように
なっている。 【0021】ガイド部材14は、水平部材14a及び垂
直部材14bを組み合わせて断面が逆L字状になるよう
に形成したものであり、その垂直部材14bには水平方
向に伸びるガイド孔14cが形成してある。レーザヘッ
ド1は、それ自体は図4に示すレーザヘッド1と変わる
ところはない。すなわちヘッド本体4と金属粉末供給ノ
ズル5とを有しているが、本形態におけるレーザヘッド
1は、支持部材15を介してガイド部材14に支持して
ある。ここで、支持部材15はヘッド本体4の上部に固
着されて水平に伸びる部材であり、ガイド孔14cを貫
通してガイド部材14に支持されている。ここで、ガイ
ド孔14cは、水平方向に伸びる孔であり、支持部材1
5は、駆動手段(図示せず。)により、ガイド孔14c
に沿って水平方向に往復移動可能に形成してある。した
がって、レーザヘッド1も支持部材15と一体的に水平
方向に移動して同方向にオシレート動作を行う。このオ
シレート動作は支持部材15の端部に回転可能に支持さ
れて垂直部材14bの裏面に当接するローラ16を介し
て円滑に行われる。 【0022】ここで、レーザヘッド1のオシレート幅
は、他の部分と独立して調節し得るようになっている。
これは、例えば支持部材15の駆動手段(図示せず。)
の移動距離を制御することにより容易に実現し得る。ま
た、金属粉末供給ノズル5は、当該加工の加工進行方向
において常にヘッド本体4の前方に位置するように構成
するとともに、モータ13によるガイド部材14の回動
は、レーザヘッド1のオシレート移動方向が当該加工の
加工線11(図2参照。)と直角になるように制御され
る。かくしてレーザヘッド1のオシレート方向を、加工
線11に対して常に直交させることができる。さらに、
ガイド部材14の回動中心O1 は、レーザヘッド1のオ
シレート軌跡である直線の中点O2 と一致するように形
成してある。 【0023】かかる本形態のレーザ加工装置の機能を図
2に基づき説明しておく。図2は図1に示す装置を平面
的に見た場合の状態を簡略化して示す図である。 【0024】同図に示すように、レーザヘッド1はガイ
ド部材14に支持されてオシレート幅W0 でオシレート
しながら加工線11に沿って移動する。このとき、ガイ
ド部材14の回動中心O1 は加工線11に沿って移動す
る。このように加工線11に沿わせるための制御手段に
特別な制限はない。例えば加工対象である基材3の形状
を検出しながらその情報を移動部にフードバックするこ
と等によっても実現し得る。本形態では、NC加工装置
にレーザヘッド1等を搭載しているので、当該NC加工
機の移動軌跡として加工線11の情報を与えておけば良
い。この際、モータ13に対する回動情報も加工線11
の位置情報に対応させて与えてあり、ガイド部材14は
その方向が加工線11に対して直角になるように制御さ
れる。 【0025】本形態では、ガイド部材14の回動中心O
1 が、レーザヘッド1のオシレート軌跡である直線の中
点O2 と一致するように形成してある。このため、回動
中心O1 とオシレート位置とが一致するので、回動中心
1 の位置を加工線11に沿わせる制御を最も簡易に実
現できる。ただ、このよう構成するのは必須ではない。
回動中心O1 とオシレート軌跡である直線の中点O2
が加工進行方向に関してずれている場合には、このとき
のずれを見込んで、オシレート方向が加工線11に直交
するようにガイド部材14を回動・制御すれば良い。 【0026】かくしてレーザヘッド1はガイド部材14
に支持され加工線11に直交する方向にオシレートしな
がら加工線11に沿って走行する。このときの加工線1
1に沿う走行及びオシレートの態様を図3にさらに詳細
に示す。同図に示すように、実線で示すレーザヘッド1
はオシレートしながら順次一点鎖線で示すように加工線
11に沿って移動しながら所定の造形部9(図5等参
照。)を形成する。造形部9の幅が変化すればこれに合
わせてレーザヘッド1のオシレート幅W0 を調整する。
また、金属粉末供給ノズル5は、当該加工の加工進行方
向において常にヘッド本体4の前方に位置するしている
ので、金属粉末はこの方向から既に形成された造形部9
に連続するように供給される。 【0027】なお、上記実施の形態では、熱線がレーザ
光2の場合、すなわち熱源としてレーザヘッド1を用い
る場合を示したが、熱源はこれに限られない。他に、プ
ラスマ及びアーク等が考えられる。また、金属粉末供給
ノズル5により金属粉末を供給するようにしたが、これ
に限る必要はない。溶融・凝固して造形部9を形成し得
るものであれば金属ワイヤ等でも良い。 【0028】 【発明の効果】以上実施の形態とともに具体的に説明し
た通り、〔請求項1〕に記載する発明は、金属の基材の
表面に向けて熱線を照射するとともにこのときの照射部
に向けて金属材料を供給することにより、この金属材料
を溶融し、その後凝固させてこの金属材料による造形部
を上記基材の表面に形成するようにした加工装置におい
て、上記熱線を上記基材に向けて照射するヘッド本体
と、このヘッド本体に一体的に固着されて上記熱線の照
射部に向けて金属材料を供給する金属材料供給手段とを
一体化したヘッドを、走行移動する装置本体に対し垂直
軸回りに回動可能に支持するとともに、ガイド部材に沿
って水平方向にオシレートするように支持し、さらに上
記オシレートの際のオシレート幅を独立して変更可能に
形成するとともに、ヘッドが当該加工の加工進行方向に
対し常に直角方向でオシレートするようにガイド部材を
装置本体に対して回動するように形成したので、加工進
行方向に沿う加工線を決めるだけで所望の造形部を形成
することができるばかりでなく、造形部の幅及び高さ等
が変化しても加工条件に合わせてオシレート幅を変更す
るだけで対処し得る。この結果、本発明によれば成形さ
れる造形部の厚み、高さ精度の向上を容易化するだけで
なく、造形部の形状等の変更にも迅速に対処して良好な
作業性を確保し得る。ちなみに、造形物の幅の変更に対
してはレーザヘッドのオシレート幅の変更のみで対処し
得る。 【0029】〔請求項2〕に記載する発明は、〔請求項
1〕に記載する加工装置において、熱線はレーザ光と
し、ヘッド本体はレーザ光を照射するレーザヘッド本体
としたので、レーザ光を熱源として上記〔請求項1〕に
記載する発明と同様の効果を得る。 【0030】〔請求項3〕に記載する発明は、〔請求項
1〕又は〔請求項2〕に記載する加工装置において、金
属材料供給手段は、金属粉末を供給する金属粉末供給ノ
ズルであるので、金属粉末を材料として所定の造形部を
容易且つ迅速に形成することができる。 【0031】〔請求項4〕に記載する発明は、〔請求項
1〕乃至〔請求項3〕の何れか一つに記載する加工装置
において、ガイド部材の回動中心点は、ヘッドのオシレ
ート軌跡である直線上の点と一致しているので、ガイド
部材の回動中心点を加工線に沿わせることにより所定の
造形部を形成することができる。また、このように加工
線に沿わせる位置制御も容易に行うことができる。 【0032】〔請求項5〕に記載する発明は、〔請求項
1〕乃至〔請求項3〕の何れか一つに記載する加工装置
において、ガイド部材の回動中心は、ヘッドのオシレー
ト軌跡である直線の中点と一致しているので、〔請求項
4〕に記載する発明の効果を、加工線に対して左右対称
な造形部を形成する場合に発揮することができる。 【0033】〔請求項6〕に記載する発明は、〔請求項
1〕乃至〔請求項5〕の何れか一つに記載する加工装置
において、金属材料供給手段は、当該加工の加工進行方
向において常にヘッド本体の前方に位置するように構成
したので、金属粉末等、造形部の材料となる金属は何の
障害物もない方向から供給することができるので、溶融
・凝固する金属の環境が攪乱されることなく最良の条件
で金属材料を所定位置に供給することができ、造形部を
最も正確且つ良好に形成することができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を示
す構造図で、(a)は斜視図、(b)はそのA線矢視
図、(c)はそのB線矢視図である。 【図2】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の機
能を説明するための説明図である。 【図3】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の移
動軌跡を示す説明図である。 【図4】従来技術に係るレーザ加工装置のヘッド部分を
抽出した示す図で、(a)は平面図、(b)は縦断面図
である。 【図5】従来技術に係る造形部を示す説明図(a)、及
びレーザヘッドの移動軌跡を示す説明図である。 【図6】レーザ光の1パスで成形できる金属層の形状を
示す説明図である。 【図7】レーザ加工条件と造形部のラップ率等の関係を
示す説明図である。 【図8】従来技術に係るレーザ加工装置におけるレーザ
ヘッドの移動軌跡を概念的に示す説明図である。 【符号の説明】 1 レーザヘッド 2 レーザ光 3 基材 4 ヘッド本体 5 金属粉末供給ノズル 9 造形部 13 モータ 14 ガイド部材 14c ガイド孔 O1 回動中心 O2 中点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 義男 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 小岩 正巳 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番1 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者 辻 正 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目1番1号 三菱重工業株式会社高砂製作所内 Fターム(参考) 4E068 BB00 BB02 CB05 CD06 CD15 CE03

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 金属の基材の表面に向けて熱線を照射す
    るとともにこのときの照射部に向けて金属材料を供給す
    ることにより、この金属材料を溶融し、その後凝固させ
    てこの金属材料による造形部を上記基材の表面に形成す
    るようにした加工装置において、 上記熱線を上記基材に向けて照射するヘッド本体と、こ
    のヘッド本体に一体的に固着されて上記熱線の照射部に
    向けて金属材料を供給する金属材料供給手段とを一体化
    したヘッドを、 走行移動する装置本体に対し垂直軸回りに回動可能に支
    持するとともに、ガイド部材に沿って水平方向にオシレ
    ートするように支持し、 さらに上記オシレートの際のオシレート幅を独立して変
    更可能に形成するとともに、ヘッドが当該加工の加工進
    行方向に対し常に直角方向でオシレートするようにガイ
    ド部材を装置本体に対して回動するように形成したこと
    を特徴とする加工装置。 【請求項2】 〔請求項1〕に記載する加工装置におい
    て、 熱線はレーザ光とし、ヘッド本体はレーザ光を照射する
    レーザヘッド本体としたことを特徴とする加工装置。 【請求項3】 〔請求項1〕又は〔請求項2〕に記載す
    る加工装置において、 金属材料供給手段は、金属粉末を供給する金属粉末供給
    ノズルであることを特徴とする加工装置。 【請求項4】 〔請求項1〕乃至〔請求項3〕の何れか
    一つに記載する加工装置において、 ガイド部材の回動中心点は、ヘッドのオシレート軌跡で
    ある直線上の点と一致していることを特徴とする加工装
    置。 【請求項5】 〔請求項1〕乃至〔請求項3〕の何れか
    一つに記載する加工装置において、 ガイド部材の回動中心は、ヘッドのオシレート軌跡であ
    る直線の中点と一致していることを特徴とする加工装
    置。 【請求項6】 〔請求項1〕乃至〔請求項5〕の何れか
    一つに記載する加工装置において、 金属材料供給手段は、当該加工の加工進行方向において
    常にヘッド本体の前方に位置するように構成したことを
    特徴とする加工装置。
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