JP2002307177A

JP2002307177A - レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2002307177A
Application number: JP2001114837A
Authority: JP
Inventors: Seiji Beppu; 征二別府; Takashi Ishide; 孝石出; Yoshio Hashimoto; 義男橋本; Shuho Tsubota; 秀峰坪田; Masanari Watanabe; 眞生渡辺; Kazuhiro Kamishiro; 和洋上城
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-04-13
Filing date: 2001-04-13
Publication date: 2002-10-22
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: JP3595511B2

Abstract

(57)【要約】【課題】反射ミラーなどを要しない簡易な構成とし、
ヘッドのコンパクト化、高集光性及び長焦点化が可能で
あり、また、アーク電極や切断ガスなどの供給が容易な
レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置を提
供する。【解決手段】レーザ光を平行にするコリメート光学系
６２と、半割れレンズ６７を有し、この半割れレンズ６
７の光軸位置をコリメート光学系の光軸位置に対してこ
れらの光軸と直交する方向へずらしてコリメート光学系
を出たレーザ光５２が全て半割れレンズに入射するよう
にし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワーク
５５に集光照射する集光光学系６２と、半割れレンズの
分割面６７ｃ側に半割れレンズの光軸に沿って配設され
たＭＩＧ電極５７などの加工手段とを備えてレーザ加工
ヘッド５４を構成し、このレーザ加工ヘッドを備えてレ
ーザ加工装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工ヘッド及
びこれを備えたレーザ加工装置に関し、例えばレーザ溶
接とアーク溶接とを同時に行う場合などに適用して有用
なものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば金属同士を接合する場合、溶接技
術の一種としてレーザ溶接とアーク溶接とがある。レー
ザ溶接はＣＯ₂レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器を用
いて行われる。なお、ＣＯ₂レーザ光はミラー伝送しな
ければならないため、その調整に手間がかかるのに対
し、ＹＡＧレーザ光は光ファイバによる伝送が可能であ
るため、ＹＡＧレーザ発振器を用いたレーザ溶接に対す
る期待が高まっている。一方、アーク溶接としては、Ｍ
ＩＧ（ＧＭＡ）溶接などのガスシールド消耗電極式アー
ク溶接や、ＴＩＧ溶接などのガスシールド非消耗電極式
アーク溶接などがある。

【０００３】そして、レーザ溶接では、レーザ光を光学
機器により集光して高いエネルギー密度が得られること
から、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うこ
とができる一方、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などのアーク
溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード
幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能であ
る。このため、近年では開先裕度が高く且つ溶け込み深
さの深い溶接を行うことなどを目的として、レーザ溶接
とアーク溶接とを同時に行う方法が研究されている。

【０００４】この場合、図示は省略するが、レーザ溶接
ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッドとが独立していると、ヘッド
全体が非常に大型となり、しかも、溶接位置や溶接姿勢
の変化に対応してレーザ溶接ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッド
の相対位置関係を常に一定に保持するのが面倒であり、
特にロボットによる３次元加工には適さない。

【０００５】そこで、これらの問題点等を解決するた
め、図６に示すようなレーザ加工ヘッドを開発した。こ
のレーザ加工ヘッドでは、光ファイバ１１で伝送してき
たレーザ光１２を凸型ルーフミラー１３と凹型ルーフミ
ラー１４とで反射して第１分割レーザ光１２ａと第２分
割レーザ光１２ｂとに２分割することにより、両者間に
空間部１７を形成し、これらの分割レーザ光１２ａ，１
２ｂを集光光学系１５で集光してワーク１６に照射する
ようになっている。そして、図示しないワイヤ送り装置
から送給されるＭＩＧ電極（フィラワイヤ）１８を、分
割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に挿入すること
により、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが
同軸状になるようにしている。このレーザ加工ヘッドに
よれば、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが
同軸状になっているため、面倒な相対位置関係の調節を
必要とせず、ロボットによる３次元加工なども容易に行
うことができる。

【０００６】また、レーザ光は切断にも用いられる。図
７はレーザ切断を行う従来のレーザ加工ヘッドの構成図
である。この図７に示すレーザ加工ヘッドでは、集光光
学系２０によって集光されたレーザ光２１の周囲を囲む
ようにテーパ状の切断ガスノズル２２を設け、この切断
ガスノズル２２の先端開口部２２ａから切断ガス（アシ
ストガス）２４をワーク２３の被切断部２３ａに噴射す
る構成となっている。このため、切断ガスの流速を増加
させたり、切断ガス２４を被切断部２３ａ内に効率よく
送り込むために切断ガスノズル２２の先端開口部２２ａ
を細くしようとしても、レーザ光２１と干渉してしまう
ため、限界があった。

【０００７】そこで、このような問題点等を解決するた
め、図示は省略するが、図７に示すように２分割された
分割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に細管状の切
断ガスノズルを挿入することにより、この切断ガスノズ
ルとレーザ光１２ａ，１２ｂとが同軸状になるようにし
たレーザ加工ヘッドの開発を行った。このレーザ加工ヘ
ッドでは、細管状の切断ガスノズルから切断ガスを噴射
しながら、分割レーザ光１２ａ，１２ｂを集光照射する
ことにより、ワークの切断を行う。

【０００８】また、インプロセスモニタリングシステム
として、レーザ溶接やレーザ切断などにおける加工状況
の監視などを行うためにＣＣＤカメラやモニタリングフ
ァイバをレーザ加工ヘッドに設けることがある。この場
合、従来は図８のような構成としていた。即ち、ワーク
２８における被加工部２８ａの画像抽出と発光抽出とを
集光光学系２４の光軸方向から（前記被加工部の真上か
ら）行うことができるようにするため、即ち、同軸の画
像を可視化するため、ＹＡＧレーザ光２６を伝送する光
ファイバ２５をヘッドの側方に配置し、この光ファイバ
２５から集光光学系２４の光軸に対して９０°の方向に
レーザ光２６を出射し、このレーザ光２６を４５°に傾
斜したミラー２７で反射して集光光学系２４へと導くよ
うに構成していた。

【０００９】ミラー２７はＹＡＧレーザ光２６を全反射
し、被加工部２８ａの発光などを透過するミラーであ
る。そして、このミラー２７の上方にミラー３１、ＣＣ
Ｄカメラ２９及びモニタリングファイバ（光ファイバ）
３０を配置している。ミラー３１は可視光を反射し、赤
外光などの特定波長の光を透過するミラーである。ＣＣ
Ｄカメラ２９ではミラー２７を透過しミラー３１で反射
して得られる被加工部２８ａの光（画像）をモニタ３２
へ伝送し、モニタ３２では遠隔監視のために前記画像を
画面に映し出す。モニタリングファイバ３０ではミラー
２７，３１を透過して得られる被加工部２８ａの発光を
光電変換装置３３へ伝送する。光電変換装置３３では前
記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ３４へ伝
送し、パーソナルコンピュータ３４では光電変換された
前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行
う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認をした
り、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認
などをする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の同軸レーザ加工ヘッドでは、一度レーザ光（レーザ
ビーム）を分割し、その中央にアーク電極や切断ガスノ
ズルなどを設置するため、レーザ光の収束のＮＡ（開口
数）を押さえるには物理的に限界があり（ビーム中央部
に種々設置する故）、従来のレーザビーム単体の場合と
同様の小ＮＡの収束ビームを作り出すには、集光光学系
のレンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドの大
型化が避けられなかった。このため、十分な集光エネル
ギ密度が得られず、溶け込み能力を従来のレーザビーム
単体のレーザ加工ヘッド並にあげることはできなかっ
た。また、厚板切断に適する長焦点ヘッドの構成が難し
かった。

【００１１】付言すると、レーザ光の焦点スポット径を
小さくして高い集光エネルギ密度を確保しつつ長焦点化
を図るには、レンズ口径を大きくする必要があるため、
ヘッドが大型化してしまう。レーザ加工ヘッドが大型化
すると、ヘッドとワークとの干渉が生じやすくなるた
め、特に、複雑形状のワークに対しては適用が難しくな
る。一方、ヘッドの大型化を避けるために長焦点化が図
れない場合には、厚板の切断が難しくなり、また、ヘッ
ドがワークに近づくことにもなるため、スパッタによっ
て光学系が損傷し易くなり、且つ、ワークと干渉し易く
なることから、やはり複雑形状のワークへの適用が難し
くなる。

【００１２】また、レーザ光１２を分割するために凹凸
のルーフミラー１３，１４を用いるため、光学系素子が
増えて、損傷の可能性が増え、また、レーザ光の損失も
招くことになる。

【００１３】また、分割レーザ光１２ａ，１２ｂの間に
ＭＩＧ電極１８を配置する場合には、ＭＩＧ電極１８を
屈曲させる必要があることから、ワイヤ送給抵抗が大き
くなる。このため、図６に示すように送給ローラ１９を
用いた高価なプッシュプル装置を設けてＭＩＧ電極１８
の送給力を補わなければならなかった。分割レーザ光１
２ａ，１２ｂの間に切断ガスノズルを配置する場合に
も、やはり切断ガスノズルを屈曲させる必要があるた
め、圧力損失が大きくなり、切断ガス供給装置の送出圧
力を高くする必要があった。

【００１４】また、図８に示すレーザ加工ヘッドの場合
には側方からレーザ光２６を入射させる構成であるた
め、ヘッドの大型化が避けさられなかった。しかも、ミ
ラー２７，３１を用いることから、光学系素子が増えて
損傷の可能性が増え、また、レーザ光２６の損失やＣＣ
Ｄカメラ２９及びモニタリングファイバ３０に入射する
光の損失も招くことになる。

【００１５】従って、本発明は上記のような事情に鑑
み、ミラーを要しない簡易な構成とし、ヘッドのコンパ
クト化、高集光性及び長焦点化が可能であり、また、ア
ーク電極や切断ガスなどの供給が容易なレーザ加工ヘッ
ド及びこれを備えたレーザ加工装置を提供することを課
題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１
発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ光を平行にするコリ
メート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレン
ズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対し
てこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメー
ト光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射する
ようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワ
ークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの
分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工
手段とを備えたことを特徴とする。

【００１７】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第
１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、
ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断
ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。

【００１８】また、第３発明のレーザ加工ヘッドは、第
１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割
れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去した
ものであることを特徴とする。

【００１９】また、第４発明のレーザ加工ヘッドは、第
１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工
手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断
ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴
とする。

【００２０】また、第５発明のレーザ加工ヘッドは、第
１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッドにおい
て、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝
送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質
解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一
方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設した
ことを特徴とする。

【００２１】また、第６発明のレーザ加工装置は、第
１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工ヘッド
と、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発
振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへ
と伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッド
を移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００２２】

【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。

【００２３】図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加
工装置のシステム構成図、図２は前記レーザ加工装置に
備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図、図３は図
２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。また、図４は各種
の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図、図５は
ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ
加工ヘッドの構成図（（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断
面拡大図）である。

【００２４】＜構成＞図１に示すように、ＹＡＧレーザ
発振器５１から出力されたレーザ光（レーザビーム）５
２は、レーザ光伝送手段としての光ファイバ５３により
遠隔のレーザ加工ヘッド５４まで伝送され、詳細は後述
するが、このレーザ加工ヘッド５４で集光されてワーク
５５へと照射される。同時に、加工手段としてのＭＩＧ
（ＧＭＡ）電極（フィラワイヤ）５７が、ワイヤ送り装
置５６からレーザ加工ヘッド５４へ送給され、溶接電源
５８からの印加電圧により、ＭＩＧ電極５７からワーク
５５へアーク放電７４が行われる。

【００２５】レーザ加工ヘッド５４はＮＣ制御などによ
って駆動制御されるロボット等のヘッド移動装置５９に
より、例えば３次元的に移動して位置決めされる。制御
系６０では、ヘッド移動装置５９、ＹＡＧレーザ発振器
５１、ワイヤ送り装置５６及び溶接電源５８の制御を行
う。例えば、レーザ加工ヘッド５９の移動に応じてＹＡ
Ｇレーザ発振器５１からのレーザ光出力やＭＩＧ電極５
７からのアーク放電のタイミング制御などを行う。

【００２６】ここでレーザ加工ヘッド５４の構成を図２
及び図３に基づき詳細に説明する。図２に示すように、
レーザ加工ヘッド５４は、そのケース６１内において図
中の上から下へ順に光ファイバ５３と、コリメート光学
系６２と、集光光学系６３とが配設されている。なお、
図中の６４，６５は保護ガラスである。

【００２７】コリメート光学系６２は１枚又は複数枚
（図示例では３枚）の小口径レンズ６６を有しており、
光ファイバ５３の先端から出射されたレーザ光５２を、
レンズ６６によって平行光にする。集光光学系６３はコ
リメート光学系６２のレンズ６６よりも口径の大きな１
枚又は複数枚（図示例では４枚）の半割れレンズ６７を
有しており、コリメート光学系６２で平行にされたレー
ザ光５２を、半割れレンズ６７により集光してワーク５
５に照射する。

【００２８】半割れレンズ６７は円形の大口径レンズを
中央部で２分割して（レンズ中央で切断して２等分する
場合に限らず、レンズ中央よりも少しずれた位置で切断
して２等分よりも少し小さく或いは少し大きくしてもよ
い）、その一方の分割片を用いたものであり、コリメー
ト光学系６２を出たレーザ光５２が全て入射するように
配置されている。つまり、半割れレンズ６７の光軸７１
の位置（半割れレンズ６７の図中左端位置）を、コリメ
ート光学系６２の光軸７２の位置（レンズ６６の中央位
置）に対して、これらの光軸７１，７２と直交する方向
（図中左方向）へずらすことにより、コリメート光学系
６２のレンズ６６から出たレーザ光５２が全て集光光学
系６３の半割れレンズ６７に入射して（半割れレンズ６
７を通過して）、集光されるようにしている。このとき
レーザ光５２の焦点位置は、半割れレンズ６７の光軸７
１上に位置するため、半割れレンズ６７の図中左端に位
置することになる。

【００２９】また、図３に示すように、半割れレンズ６
７は、図中に一点鎖線で示したレーザ光５２の通過しな
い部分６７ａ，６７ｂが切断除去されて、実際には図中
に実線で示す部分のみとなっており、非常にコンパクト
である。従って、この半割れレンズ６７を収容するケー
ス６１も非常にコンパクトになっている。

【００３０】そして、図２に示すように、半割れレンズ
６７の分割面６７ｃ側に案内管７３が光軸７１に沿うよ
うにして固定されており、この案内管７３にＭＩＧ電極
５７が挿通されている。即ち、ワイヤ送り装置５６から
送出されたＭＩＧ電極５７は、レーザ加工ヘッド５４に
おいて、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレ
ンズ６７の光軸７１に沿うように設けられた状態となる
ため、従来のように屈曲してはおらず（図７参照）、ほ
ぼ真直ぐな状態となる。

【００３１】また、このＭＩＧ電極５７に代えて、図４
に示す他の加工手段を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ
側に配設するようにしてもよい。

【００３２】図４（ａ）では、加工手段としてのＴＩＧ
（タングステン）電極８１を、半割れレンズ６７の分割
面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設して
いる。この場合には、溶接電源８２からの印加電圧によ
り、ＴＩＧ電極８１からワーク８４の被溶接部へアーク
放電８３を行い、同時に、前記被溶接部へレーザ光５２
も照射して溶接を行う。

【００３３】図４（ｂ）では、加工手段としてのフィラ
ワイヤ９１を、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半
割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。半割れレ
ンズ６７の分割面６７ｃ側には案内管９３が前記光軸に
沿うようにして固定されており、この案内管９３にフィ
ラワイヤ９１が挿通されている。この場合には、ワイヤ
送り装置９２によってフィラワイヤ９１をワーク９４の
被溶接部に供給しながら、レーザ光５２を前記被溶接部
に照射してレーザ溶接を行う。

【００３４】図４（ｃ）では、加工手段としての細管状
の切断ガスノズル１０１を、半割れレンズ６７の分割面
６７側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設してい
る。この場合には、切断ガス供給装置１０２から送出さ
れる切断ガス（アシストガス）１０３を、切断ガスノズ
ル１０１の先端からワーク１０３の被切断部へと噴射し
ながら、前記被切断部へレーザ光５２を照射してレーザ
切断を行う。また、この場合には、切断ガスノズル１０
１として、図４（ｄ）に示すように流路が一旦狭まった
後に広がるような形状のノズル（ダイバージェントノズ
ル）を採用することができる。ダイバージェントノズル
とすることにより、切断ガス１０３は超音速となり、且
つ、非常に細長いガス流動形状となるため、カーフ幅の
狭い切断を高速で行うことができる。

【００３５】図４（ｅ）では、加工手段としての粉末ノ
ズル１１１を、半割れレンズ６７の分割面６７側に半割
れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合に
は、粉末供給装置１１２から送出される金属粉末１１３
を、粉末ノズル１１１の先端から吐出し、この金属粉末
１１３にレーザ光５２を照射して任意の３次元形状物１
１４を成形する。

【００３６】また、インプロセスモニタリングシステム
として、ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを設け
た場合の構成を図５に基づいて説明する。図５に示すレ
ーザ加工ヘッドでは、図２及び図３に示すレーザ加工ヘ
ッドにおいて、更に、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリン
グファイバ（光ファイバ）１２２とを、半割れレンズ６
７の分割面６７ｃ側に配設して、ＭＩＧ電極５７に並設
している。このため、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリン
グファイバ１２２では、半割れレンズ６７の光軸方向か
ら（ワーク５５の被溶接部５５ａの真上から）、ミラー
などを介すことなく直接受光して、前記被溶接部５５ａ
の画像抽出と発光抽出とを行うことができるようになっ
ている。

【００３７】なお、ＭＩＧ電極５７に限らず、図３に示
すフィラワイヤ９１や切断ガスノズル１０１などの他の
加工手段を設ける場合にも、同様にＣＣＤカメラ１２１
やモニタリングファイバ１２２を半割れレンズ６７の分
割面６７ｃ側に配置することができる。

【００３８】ＣＣＤカメラ１２１では被加工部５５ａの
可視光（画像）をモニタ１２３へ伝送し、モニタ１２３
では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニ
タリングファイバ１２２では被加工部５５ａの発光（赤
外光などの特定波長の光）を、発光ダイオードなどを用
いた光電変換装置１２４へ伝送する。光電変換装置１２
４では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ
１２５へ伝送し、パーソナルコンピュータ１２５では光
電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品
質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの
確認などをし、切断の場合には確実に切断されているか
否かの確認などをする。

【００３９】＜作用・効果＞以上のように、本実施の形
態のレーザ加工ヘッド５４によれば、半割れレンズ６７
を有し、この半割れレンズ６７の光軸位置をコリメート
光学系６２の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する
方向へずらすことにより、コリメート光学系６２を出た
レーザ光５２が全て半割れレンズ６７に入射するように
して、この半割れレンズ６７によりレーザ光５２をワー
クに集光照射するように構成するとともに、ＭＩＧ電極
５７や切断ガスノズル１０１などの加工手段を半割れレ
ンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に
沿って配設したため、次のような作用・効果が得られ
る。

【００４０】即ち、ＭＩＧ電極５２や切断ガスノズル１
０１などの加工手段とレーザ光５２とが同軸状になるた
め、３次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘ
ッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト
化を図れるとともに収束のＮＡの制限を受けない高集光
性と長焦点化（特に厚板切断に有効）が可能となる。し
かも、本実施の形態ではレーザ光５２が通過しない部分
６７ａ，６７ｂを切断除去した半割れレンズ６７を用い
ているため、単なる半割れレンズ（半円形状のレンズ）
を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになって
いる。

【００４１】また、半割れレンズとして大口径のレンズ
は用いるものの、これを２分割（２等分又はそれよりも
少し小さく切断）し、その一方の分割片のみを用いてレ
ーザ加工ヘッドを製造することができるため、１つのレ
ンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、
コストの低減を図ることができる。

【００４２】また、ＭＩＧ電極５７や切断ガスノズル１
０２などの加工手段を、従来のように屈曲させることな
くレーザ加工ヘッド５４に設けることができるため、こ
れらの供給が容易になり、ＭＩＧ電極５７を供給するた
めに送給ローラ（プッシュプル装置）を設ける必要がな
くて、従来のＭＩＧ溶接装置をそのまま使うことがで
き、また、切断ガス供給装置１０２の送出圧力を高めた
りすることなども不要となる。

【００４３】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのよう
にミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減や
レーザ光の損失低減などを図ることができる。

【００４４】また、細管状の切断ガスノズル１０１を設
けてレーザ切断（穴あけも含む）を行うことができ、こ
の場合にはレーザ光に制限されることなく切断ガスノズ
ル１０１を所望の細さにして被切断部に効率良く切断ガ
ス１０３を送り込むことができる。このため、切断速度
の向上やカーフ幅の低減などを図ることができる。特
に、切断ガスノズル１０１にダイバージェントノズルを
採用した場合には、切断ガスを超音速にし、且つ、非常
に細長いガス流動形状を実現することができるため、切
断速度や切断品質（カーフ幅など）が大幅に向上する。

【００４５】また、ＣＣＤカメラ１２１やモニタリング
ファイバ１２２を設ける場合には、これらを半割れレン
ズ６７の分割面６７ｃ側に配置して光軸方向から（被加
工部の真上から）、ミラーなどを介すことなく直接、被
加工部からの光を受光することができるため、構成が簡
易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光
抽出を行うことができる。また、従来のように側方から
レーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、
光軸方向にレーザ光５２を入射することができるため、
ヘッドがコンパクトになり、レーザ光５２の損失低減を
図ることもできる。

【００４６】そして、上記のようなレーザ加工ヘッド５
４を備えたレーザ加工装置は、溶接や切断などの加工能
力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレ
ーザ加工装置となる。

【００４７】

【発明の効果】以上、発明の実施の形態とともに具体的
に説明したように、第１発明のレーザ加工ヘッドによれ
ば、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れ
レンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリ
メート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交す
る方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光
が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレ
ンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光
光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズ
の光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特
徴とする。

【００４８】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第
１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、
ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断
ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。

【００４９】従って、この第１又は第２発明のレーザ加
工装置によれば、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの加
工手段とレーザ光とが同軸状になるため、３次元加工に
適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能
を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるととも
に収束のＮＡの制限を受けない高集光性と長焦点化（特
に厚板切断に有効）が可能となる。

【００５０】また、レンズを２分割し、その一方の分割
片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができ
るため、１つのレンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造
することができ、コストの低減を図ることができる。

【００５１】また、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの
加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加
工ヘッドに設けることができるため、これらの供給が容
易になり、ＭＩＧ電極を供給するために送給ローラ（プ
ッシュプル装置）を設ける必要がなくて、従来のＭＩＧ
溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供
給装置の送出圧力を高めたりすることなども不要とな
る。

【００５２】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのよう
にミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減や
レーザ光の損失低減などを図ることができる。

【００５３】また、第３発明のレーザ加工ヘッドによれ
ば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前
記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除
去したものであるため、単なる半割れレンズ（半円形状
レンズ）を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクト
になる。

【００５４】また、第４発明のレーザ加工ヘッドによれ
ば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前
記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、こ
の切断ガスノズルはダイバージェントノズルであるた
め、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流
動形状を実現することができるため、切断速度や切断品
質（カーフ幅など）が大幅に向上する。

【００５５】また、第５発明のレーザ加工ヘッドによれ
ば、第１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッド
において、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画
像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加
工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何
れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配
設したことにより、光軸方向から（被加工部の真上か
ら）、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの
光を受光することができるため、構成が簡易になり、光
の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うこ
とができる。また、従来のように側方からレーザ光を入
射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレ
ーザ光を入射することができるため、ヘッドがコンパク
トになり、レーザ光の損失低減も図ることができる。

【００５６】また、第６発明のレーザ加工装置によれ
ば、第１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工
ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレ
ーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘ
ッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工
ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備え
たことにより、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑
形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置と
なる。

【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のシ
ステム構成図である。

【図２】前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッド
の構成を示す断面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。

【図４】各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構
成図である。

【図５】ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備え
たレーザ加工ヘッドの構成図である。

【図６】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。

【図７】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。

【図８】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。

【符号の説明】

５１ＹＡＧレーザ発振器５２レーザ光５３光ファイバ５４レーザ加工ヘッド５５ワーク５６ワイヤ送り装置５７ＭＩＧ電極５８溶接電源５９ヘッド移動装置６０制御系６１ケース６２コリメート光学系６３集光光学系６４，６５保護ガラス６６レンズ６７半割れレンズ６７ａ，６７ｂレーザ光が通過しない部分（切断除去
部分）６７ｃ分割面７１，７２光軸７３案内管７４アーク放電８１ＴＩＧ電極８２溶接電源８３アーク放電８４ワーク９１フィラワイヤ９２ワイヤ送り装置９３案内管９４ワーク１０１切断ガスノズル１０２切断ガス供給装置１０３切断ガス１０４ワーク１１１粉末ノズル１１２粉末供給装置１１３金属粉末１１４３次元形状物１２１ＣＣＤカメラ１２２モニタリングファイバ１２３モニタ１２４光電変換装置１２５パーソナルコンピュータ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２３Ｋ 9/173 Ｂ２３Ｋ 9/173 Ａ 26/02 26/02 Ｃ 26/06 26/06 ＡＺ (72)発明者橋本義男兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者坪田秀峰兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者渡辺眞生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)発明者上城和洋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Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 BB08 4E068 AE00 BA06 BB00 BC00 CA17 CC02 CD01 CD14 CD15 CE08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を平行にするコリメート光学系
と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前
記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と
直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレ
ーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半
割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射す
る集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿
って配設された加工手段とを備えたことを特徴とするレ
ーザ加工ヘッド。
【請求項２】請求項１に記載するレーザ加工ヘッドに
おいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイ
ヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであること
を特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘ
ッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断
除去したものであることを特徴とするレーザ加工ヘッ
ド。
【請求項４】請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘ
ッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、
この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであるこ
とを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】請求項１，２，３又は４に記載するレー
ザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送す
るＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析
手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又
は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したこと
を特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項６】請求項１，２，３，４又は５に記載のレ
ーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ
加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移
動手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。