JP2004001043A

JP2004001043A - レーザ加工時のヒューム除去方法及び装置

Info

Publication number: JP2004001043A
Application number: JP2002159836A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Fukuda; 福田　直晃; Shoichi Kitagawa; 北側　彰一
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】レーザ加工位置に加工ガスを保ちながら、発生するヒュームやスパッタ等を除去する。
【解決手段】加工ガスを供給しながら加工位置から発生するヒュームに対し、加工ガス雰囲気の上方でヒューム排出ガスを供給する。加工位置に向け加工ガスを供給する加工ガス供給ノズル３と、加工ガス雰囲気の上方にヒューム排出ガスを供給するヒューム排出ガス供給ノズル２を備え、場合によって、ヒューム排出ガス供給ノズルの下流に供給ガスの流れを整流化するガスジャケット６を設けたり、供給されたヒューム排出ガス流れを一定方向に導く側壁４を設けたりする。
【効果】加工雰囲気を保ちながらヒュームをより効率的に除去でき、大出力のレーザ加工、長時間加工であっても、レーザ光の集光状態が悪化せず、安定した高品質加工が実現でき、人体への悪影響も防止できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工機による加工品質の劣化や作業環境の悪化を防止するため、レーザ加工の際に加工位置に加工ガスを保ちながら、発生するヒュームやスパッタ等（以下、ヒュームで代表する）を除去するレーザ加工時のヒューム除去方法及びこの方法を実施する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザ加工機は、鋼材、非鉄材料、セラミックス、ガラス、プラスチック、皮革、布、木材等多種の材料（以下、被加工材と称する）の切断、穴あけ、表面加工、マーキング、および鋼材や非鉄材料等の溶接（以下、加工と称する）に使用され、使用されるレーザ光は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、エキシマレーザが主流になっている。
【０００３】
このようなレーザ加工では、特に穴あけ加工や切断加工に際し多量のヒュームが発生するが、ヒュームによるレーザ光の散乱は、波長の２乗分の１に比例して影響されることが理論的に知られている。
つまり、波長が短い程レーザ光に与える散乱の影響は大きいので、比較的波長の短いＹＡＧレーザ等ではヒュームによるレーザ光の散乱により所定の出力が加工位置に集光できないという問題がある。
【０００４】
なお、ヒュームによるレーザ光の散乱の影響は、ＣＯ_２レーザ加工のプラズマによる影響ほど顕著に表れない。ＣＯ_２レーザでは加工時に発生するプラズマによりレーザ光が吸収されるので、溶接加工等では積極的にプラズマ除去をしながら加工雰囲気を保つ工夫がなされ、そのため、例えば溶接等では加工雰囲気を保つことのみ考慮し、被加工材の穴あけ加工等で加工雰囲気の確保が必要でない場合はヒュームを除去することのみを考慮していた。
【０００５】
このような理由からレーザ加工においてはヒューム除去が必要となり、例えば、特開平０６−５５２９０号には、レーザやプラズマによる加工時に発生するヒュームおよび排煙を集塵する装置として、両端を密閉し、外周面の一端に集塵機に接続するパイプを設けると共に、軸方向にヒューム等の吸気口に連通する開口部を設け外側円管に、一端に駆動機構を有し、他端は開放している内側円管を回転可能に内接したものが提案されている。
【０００６】
また、特開平０９−２７１９８０号には、加工ヘッドの全周におけるワーク（被加工材）上面近傍から上側を囲う遮蔽物を所定間隔をおいて少なくとも二重に設け、遮蔽物で囲まれた部分にある飛散物を集塵ダクトにより吸引する方法および装置が提案されている。
【０００７】
また、被加工材で発生しているヒューム除去についての技術として、例えば、特開２０００−３１７６７０号では、加工部の囲いとしての筒体に形成する噴き出し口を、吸い込み口の縮径部に対向する主噴き出し口と、これらの上方および下方の副噴き出し口とで構成し、これにより、筒体の内部で気体のスムーズな流れを形成し、その流れで煙や塵を確実に吸込み口に案内してワーク上に塵の残留をなくす集塵装置が提案され、更に、特開２００１−３２１９７９号では、四方側壁にて囲まれる集塵空間を有するとともに、その集塵空間の対向側壁に給気口と排気口を備え、上下に別れて形成された前記給気口から集塵空間に給気される全体の給気量を、排気口から排気される排気量の３〜７割とするとともに、上方側給気口の給気量に対し下方側給気口の給気量をそれの１．５〜４．５倍とするレーザ穴加工機の加工粉集塵装置が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平０６−５５２９０号や特開平０９−２７１９８０号で提案されたものは、加工機に充満しているヒュームや排煙の吸引、および、被加工材の加工部で発生しているヒューム等を吸引するもので、単に、大きな排気口を設けて粉塵雰囲気を吸引するだけである。
すなわち、これらは、加工部での加工ガス雰囲気（加工雰囲気）を保ちつつ、ヒューム等を効率良く吸引するという考え方ではないため、吸引力が弱い場合は集塵効果が悪く、一方吸引力が強すぎるとヒュームの除去時に加工ガスを良好な状態に維持しておくことができなかった。
【０００９】
また、特開２０００−３１７６７０号や特開２００１−３２１９７９号で提案されたものは、加工部に多量なガス流れを利用してヒュームを排出するため、加工雰囲気を保つのがより困難で穴あけ加工以外の他の加工に適用することはできない。
【００１０】
以上のように、従来技術では加工位置に発生するヒュームを積極的に除去しながら加工雰囲気を確保するための工夫がなされておらず、加工の際に加工用のシールドガスやアシストガス等を用いることで、発生するヒュームが結果的に若干除去されている程度でしかなかった。
【００１１】
また、ＹＡＧレーザ等では、今まではその出力が小さくレーザ光の散乱の影響でレーザ光の集光状態が変化しても、加工品質の劣化が顕著に現れなかったため、加工雰囲気を保ちながらヒュームを積極的に除去する工夫がなされていなかった。
しかしながら、７ＫＷ以上の大出力となるとヒュームによる散乱の影響でレーザ光の集光状態が悪化し、加工品質の劣化が発生するという問題や、２ＫＷ以上の出力でも長時間連続加工すると加工位置周辺のヒューム量が増大し、レーザ光の集光状態が悪化し、加工品質の劣化をもたらすという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記したような問題を解決せんとしてなされたものであり、レーザ加工の際に加工位置を加工ガスで覆いながら発生するヒューム含有ガスを効率良くレーザ加工系外に排出する方法及びこの方法を実施する装置の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工時のヒューム除去方法は、加工ガスを供給しながらレーザ加工を実施するに際し、加工位置から発生するヒュームに対し、前記加工ガス雰囲気の上方でヒューム排出ガスを供給して加工位置付近のヒュームを除去することとしている。そして、この本発明方法は、加工位置に向け加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルと、前記加工ガス雰囲気の上方にレーザ加工位置からのヒュームを排出するヒューム排出ガスを供給するヒューム排出ガス供給ノズルを備えたもの、あるいは更に、前記ヒューム排出ガス供給ノズルの下流にヒューム排出ガスの流れを整流化するガスジャケットを設けたり、前記ヒューム排出ガス供給ノズルから供給されたヒューム排出ガス流れを一定方向に導くための側壁を少なくとも一方に設けたりした、本発明装置によって実施可能である。
【００１４】
そして、このようにすることで、レーザ加工位置に加工ガスを供給し、充満させながら、その上方に上昇するヒューム含有ガスを、ヒューム排出ガスにより整流状態で効率よく捉え系外に導くことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明に係るレーザ加工時のヒューム除去方法は、加工ガスを供給しながらレーザ加工を実施するに際し、加工位置から発生するヒュームに対し、前記加工ガス雰囲気の上方でヒューム排出ガスを供給して加工位置付近のヒュームを除去することを要旨とするものであり、この本発明方法は、加工位置に向け加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルと、前記加工ガス雰囲気の上方にレーザ加工位置からのヒュームを排出するヒューム排出ガスを供給するヒューム排出ガス供給ノズルを備えたり、場合によって、前記ヒューム排出ガス供給ノズルの下流に供給ガスの流れを整流化するガスジャケットを設けたり、前記ヒューム排出ガス供給ノズルから供給されたヒューム排出ガス流れを一定方向に導くために少なくとも一方に設けた側壁をその下端がレーザ加工位置に向くように傾斜させたりした本発明に係るヒューム除去装置によって実施可能である。この様な本発明によれば、レーザ加工位置を加工ガスで覆い、加工ガスの上方位置で発生するヒュームをヒューム排出ガスに乗せて一定方向に排出することができる。これが第１〜５の本発明である。
【００１６】
また、上記本発明の効果をより向上させるために、前記加工ガス供給ノズルからのガス供給に当たり被加工材面から供給すべく、前記側壁の下端を被加工材から離して設けたり、レーザビームの通過可能な通過孔を有する天板を設けたり、冷却構造を組込んだり、また、更にヒューム含有のヒューム排出ガスを吸引すべくレーザ加工位置から発生するヒュームを吸引するヒューム吸引ノズルを設けたり、このヒューム吸引ノズルを前記ヒューム排出ガス供給ノズルとレーザ加工位置を通る直線状としたり、前記ヒューム吸引ノズル前方にヒュームを収集及び整流化するフィルターを設けたりしてもよい。
【００１７】
この様にすることで、加工雰囲気を保ちながらレーザ加工時のレーザ光を散乱させるヒュームをより効率的に除去でき、大出力のレーザ加工であっても、また、長時間加工であっても、レーザ光の集光状態に悪化が生じず、安定した高品質加工が実現でき、加工位置周辺からヒュームが除去され、人体への悪影響を防止できることとなる。これが第６〜１２の本発明である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明に係るレーザ加工時のヒューム除去装置を図１〜図７に示す実施例に基づいて説明し、この装置を用いた本発明に係るレーザ加工時のヒューム除去方法の説明に及ぶ。
図１は本発明のヒューム除去装置の斜視図を示し、図２は図１の平面図、図３は図２のＡ−Ａ視図、図４は図２のＢ−Ｂ視図、図５は他の実施例の平面図であり、図６は図５の正面図、図７は図６の側面図である。
【００１９】
本発明のヒューム除去装置は、レーザ加工機の下方に配置され、図１〜４に示すように、その底部がなく四方を外壁１で囲って形成されている。図では、被加工材Ｍの上面に、しかも被加工材Ｍの加工位置Ｐがその中央となるように載置した状態を示している。図１、２に示した実施例では、紙面左側の外壁１に、ヒューム排出ガス供給ノズル２を加工位置に向けて、同じく加工ガス供給ノズル３をヒューム排出ガス供給ノズル２よりやや下方に、かつ、直交方向に設けている。
このヒューム排出ガス供給ノズル２からは、レーザ加工時に発生するヒュームを加工部系外に押出し排出すべくヒューム排出ガスが供給され、加工ガス供給ノズル３からは、加工位置Ｐに滞留させる加工ガスが供給される。
【００２０】
４はヒューム排出ガス供給ノズル２方向（図２の紙面左右方向）の前記外壁１に沿う状態で、しかもその下端が加工位置Ｐに向けて傾斜させた状態に設けられた２枚の側壁であり、図１〜４に示した実施例では、その下端が前記外壁１の下端よりも上方に位置し、被加工材Ｍとの間に一定の間隙を保つように設けている。この側壁４間には、被加工材Ｍの加工位置Ｐが存在する。
前記側壁４の一端側は前記ヒューム排出ガス供給ノズル２を設けた外壁１に、他端側は被加工材Ｍの加工位置Ｐを過ぎて図１、２の右側に位置し外壁１の内側に固定された仕切り壁５に固定されている。
仕切り壁５は、完全な板状ではなく、中央部に切欠きが入り、この切欠き部をガスが流れることが可能になっている。
【００２１】
また、ヒューム排出ガス供給ノズル２の下流の前記側壁４間にはガスジャケット６を設けている。このガスジャケット６は例えばポーラス質状であって、通気可能ではあるが通気抵抗も負荷されるものである。
【００２２】
しかも、ヒューム排出ガス供給ノズル２を設けた外壁１側のみ前記側壁４の下端は底部を形成しているので、外壁１、側壁４、ガスジャケット６との間で有底の空間ａを形成している。従って、ヒューム排出ガス供給ノズル２からのヒューム排出ガスはこの空間ａ内に一旦入り、そこでヒューム排出ガス供給ノズル２直前の比較的速い流速が抑制され、ガスジャケット６面部で均一化された圧力でヒューム排出ガスが加工位置Ｐの上方に供給され、前記側壁４に沿いながら整流状態で加工位置Ｐを通過する。
【００２３】
加工ガス供給ノズル３からの加工ガスは、外壁１、側壁４、被加工材Ｍ表面で囲まれた空間ｂに入り、一部は前記仕切り壁５方向に進み、一部は前記空間ａの底部と被加工材Ｍの間を抜けて反対側の外壁１、側壁４で囲まれた空間ｂ’に進みながら、前記側壁４の下端を通り、すなわち、側壁４の全下端から加工位置Ｐに向けて加工ガスが流れることになる。
【００２４】
加工位置Ｐでは、被加工材Ｍの表面より加工ガスが供給され、その上方はヒューム排出ガスが仕切り壁５に向かって流れ、さらに、仕切り壁５上を通過することになる。前記仕切り壁５上を通過した後は、例えば別途設けた処理装置でヒュームを含むヒューム排出ガスを処理する。
なお、この場合ヒューム排出ガスの一部は、そのまま上昇したり、ヒューム排出ガスに引かれて加工ガスも上昇する。
【００２５】
そこで、図１、２の実施例では、紙面右側の外壁１にヒューム吸引ノズル７を取り付けている。このヒューム吸引ノズル７を取り付けることで、ヒューム排出ガス供給ノズル２からヒューム吸引ノズル７に向かってヒューム排出ガスが安定して流れることになり、ヒューム排出ガス供給ノズル２とヒューム吸引ノズル７の間に加工位置Ｐがあれば、加工位置Ｐで発生するヒュームが完全に捕えられることになる。この場合、ヒューム排出ガス供給ノズル２からの供給量よりもヒューム吸引ノズル７での吸引量を多めに設定する。
【００２６】
また、仕切り壁５の切欠き部にフィルター８を設ければ、ヒューム排出ガスが仕切り壁５上を通過する際、その含有粉塵が前記フィルター８で捕捉されることになる。しかも、フィルター８は、含有粉塵の捕捉のみならず、ヒューム吸引ノズル７へのヒューム排出ガスの収束が抑制され、フィルター８面に均一に流れ込むことになるので、ガスケット６とフィルター８間はヒューム排出ガスの整流が保たれた状態となる。さらに、レーザ光の通過可能な通過孔１０を有する天板９を設けることによって、側壁４から上方へのヒューム排出ガスの逃げが完全に防げる。
【００２７】
図５〜７は他の本発明の実施例であり、ヒューム除去装置に冷却構造を組込んだ例である。この実施例では図５の紙面左側にヒューム排出ガス供給ノズル２と２本の加工ガス供給ノズル３を設け、その上方の天板９の上に冷却配管１１を設けた例である。この冷却配管１１に冷却水を供給することにより、その近傍を冷却するものである。
【００２８】
この実施例におけるように冷却構造は、単に冷却水を通す冷却配管１１を加工ガス供給部、ヒューム排出ガス供給部に設けただけであり、必ずしも複雑な構造にする必要はない。また、冷却媒体として必ずしも冷却水を通す必要はなく、たとえば、加工ガス供給ノズル３に至るまでの加工ガス、または、ヒューム排出ガス供給ノズル２に至るまでのヒューム排出ガスを外壁１、側壁４等高温の影響を受ける部位に配管を通して流し、その部位を冷却した後にノズル２、３から供給しても良く、場合によって微少量漏洩させて冷却してもよい。なお、図５〜７における符号は、図１〜４と同じ部材には同じ符号を使用した。
【００２９】
また、この実施例では、２本の加工ガス供給ノズル３を設け、外壁１、側壁４で囲まれた空間ｂ、ｂ’それぞれに加工ガスを供給しているので、側壁４下端からの加工位置への流れ込み加工ガス量は、左右で等しい値となる。
【００３０】
以上の実施例では、共にガスジャケット６をヒューム排出ガス供給ノズル２の前方の前記側壁４間に設けているが、ガスジャケット６を加工ガス供給ノズル３側、例えば、側壁４と被加工材Ｍの隙間に相当する側壁４の下端に設けてもよい。あるいは、加工ガス供給ノズル３前方に別途空間を形成させる場合は、たとえば前記空間ａの下方に新たに加工ガス供給用の空間をつくる場合、空間ａと同様にガスジャケット６を設けてもよい。
【００３１】
また、前記空間ａは傾斜している２枚の側壁４を利用し、ガスジャケット６をも傾斜させて、加工位置からのスパッタ付着防止を試みたが、どのような形式を採用してもよい。さらに、側壁４は２枚としてその側壁４をＶの字状に取り付け、ガスの流れ安定化と、スパッタ付着防止を試みているが、側壁４は１枚としてもガスの流れはその側壁４沿うため、必ずしも２枚にする必要はない。側壁４の形状も平板でなく、加工位置側を内側にして上下方向に円弧状にしても同等の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ加工位置を加工ガスで覆い、加工ガスの上方位置で発生するヒュームをヒューム排出ガスに乗せて一定方向に排出することができ、レーザ加工機による加工品質の劣化や作業環境の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヒューム除去装置の斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ視図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ視図である。
【図５】他の実施例の平面図である。
【図６】図５正面図である。
【図７】図６の側面図である。
【符号の説明】
１　　外壁
２　　ヒューム排出ガス供給ノズル
３　　加工ガス供給ノズル
４　　側壁
５　　仕切り壁
６　　ガスジャケット
７　　ヒューム吸引ノズル
８　　フィルター
９　　天板
１０　　通過孔
１１　　冷却配管
Ｍ　　被加工材
Ｐ　　加工位置

Claims

加工ガスを供給しながらレーザ加工を実施するに際し、加工位置から発生するヒュームに対し、前記加工ガス雰囲気の上方でヒューム排出ガスを供給して加工位置付近のヒュームを除去することを特徴とするレーザ加工時のヒューム除去方法。
請求項１記載の方法を実施する装置であって、加工位置に向け加工ガスを供給する加工ガス供給ノズルと、前記加工ガス雰囲気の上方にレーザ加工位置からのヒュームを排出すべくヒューム排出ガスを供給するヒューム排出ガス供給ノズルを備えたことを特徴とするレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記ヒューム排出ガス供給ノズルの下流にヒューム排出ガスの流れを整流化するガスジャケットを設けたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記ヒューム排出ガス供給ノズルから供給されたヒューム排出ガス流れを一定方向に導くための側壁を、少なくとも一方に設けたことを特徴とする請求項２または３記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記側壁は、下端がレーザ加工位置に向け傾斜していることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記加工ガス供給ノズルからの加工ガスを被加工材面から供給すべく、前記側壁の下端を被加工材から離して設けたことを特徴とする請求項４または５記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
レーザ光の通過可能な通過孔を有する天板を設けたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
冷却構造を組込んだことを特徴とする請求項２〜７のいずれか記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
請求項１記載の方法において、ヒューム含有のヒューム排出ガスを吸引することを特徴とするレーザ加工時のヒューム除去方法。
請求項９記載の方法を実施する装置であって、加工位置から発生するヒューム含有のヒューム排出ガスを吸引するヒューム吸引ノズルを設けたことを特徴とする請求項２〜８のいずれか記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記ヒューム排出ガス供給ノズルと前記ヒューム吸引ノズルの取付け位置がレーザ加工位置を通る直線状としたことを特徴とする請求項１０記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。
前記ヒューム吸引ノズル上流にヒュームを収集及び整流化するフィルターを設けたことを特徴とする請求項１０または１１記載のレーザ加工時のヒューム除去装置。