JP2004148360A - Laser beam machining head, and laser beam machining system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工体に対してレーザビームを照射して加工を行う場合のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、レーザビームを利用して加工することが行われてきており、その対象が金属、プラスチック、紙などのように適用範囲が広がってきている。レーザ加工は熱による加工が主流であり、加工時にスパッタや煙が発生する。そして、このスパッタや煙がレーザ加工ヘッド内に侵入するとレンズや保護ガラスを汚すこととなり、レーザ出力の低下を招く。また、レーザ光による熱加工は加工部分が拡がるバーニング現象を生じる。そのため、冷却ガスをレーザ加工ヘッド内に注入して、上記バーニングを軽減すると共に、当該ガスをヘッド先端より流出させてスパッタや煙の流入を防ぐ技術が、以下の特許文献等に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平6−198485号公報
【特許文献2】
特開平9−1374号公報
【特許文献3】
特開平11−226770号公報
【0004】
そこで、図6に、従来のレーザ加工ヘッドの説明図を示す。図6(A)に示すレーザ加工ヘッド101は、上記特許文献2の基本発明の概念図であり、特許文献1,3のベースとなったものである。すなわち、円筒形のノズル102の側部(後述のレンズより被加工体側)にガス供給部103が設けられ、内部における上記ガス供給部103の上方にレンズ104が保持される構造のものである。そして、レーザ加工に際しては、被加工体105に対し、レーザ光106をレンズ104で集光させると共に、ガス供給部103よりシールドガス107が当該ノズル102内部に注入される。このとき、注入されたシールドガス107がヘッド先端部より被加工体105の加工部分に吹き付けられることにより当該シールドガス107がノズル102内部でシールド状態とさせてスパッタや煙の流入を防止させようとしているものである。
【0005】
そして、上記レーザ加工ヘッド101に対し、特許文献1,3では、ノズル102を内筒(内壁)と外筒(外壁)とで構成して内筒(内壁)にシールドガス(アシストガス)を注入させて先端より吹き出させると共に、外筒(外壁)に冷却ガスを注入させて先端より吹き出させるもので、シールドガス(アシストガス)107によりスパッタや煙の流入を防止させようとすると共に、冷却ガスによりバーニングを軽減させようとするものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノズル102内部に注入されるシールドガス(アシストガス)107の排出では、実際上スパッタや煙がノズル102先端部より流入するという事態が生じる。これは、シールドガス(アシストガス)107をノズル102内部に水平状態で注入させることから内部での流速が不均一となり、図6(B)に示すように、竜巻状態107Aが生じ、その中心部分よりスパッタや煙などの飛散物105Aを吸い込むことによるものと推測される。上記特許文献3は、一見アシストガスがノズル102内部(内壁)に均一に注入されて内部の流速が均一であるように見えるが、当該アシストガスが水平状態でノズル102内部に注入されることにより、内部流速が不均一となって上記竜巻状態107Aを生じさせるものと考えられ、飛散物104Aを吸い込むという事態を生じる。
【0007】
そこで、本発明は上記課題に鑑みなされたもので、レーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項1の発明では、生成されるレーザ光を被加工体に照射して所定の加工を施すためのレーザ加工ヘッドであって、筒状部材で形成され、所定のガスが供給されるガス導入口が形成されるヘッド基体と、前記ヘッド基体内に保持され、前記生成されたレーザ光を集光し、前記被加工体の加工部分に収束させて照射させるためのレーザ集光部と、前記レーザ集光部からのレーザ光を前記被加工体に照射させるための内部空間が形成されて前記ヘッド基体に対して前記ガス導入口と連通して接合されるものであり、当該ガス導入口より導入される前記ガスを分散させて前記レーザ集光部に周縁より直接吹き付けるための搬送路を形成させるガス搬送部を備え、当該レーザ集光部に吹き付けられたガスを前記被加工体側に排出させるノズル体と、を有する構成とする。
【0009】
請求項2の発明では、「前記レーザ集光部は、集光レンズ、または、当該集光レンズと前記被加工体側に設けられる保護部材である」構成である。
【0010】
請求項3の発明では、請求項1または2に記載のレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドより前記被加工体に照射させるレーザ光を生成するレーザ生成手段と、前記ヘッド基体と前記ノズル体とが接合された前記レーザ加工ヘッドのガス導入口に所定ガスを供給するガス供給手段と、を有する構成とする。
【0011】
このように、レーザ加工システムで使用されるレーザ加工ヘッドにおいて、ガス導入口が形成されたヘッド基体に対して当該ガス導入口と連通して接合されるノズル体が、設けられたガス搬送部に形成された搬送路で当該ガス導入口より導入されるガスを分散させてレーザ集光部に周縁より直接吹き付けさせ、当該レーザ集光部に吹き付けたガスを被加工体側に排出させる。すなわち、導入されたガスを分散させてレーザ集光部に直接吹き付けさせることでノズル体内部における分散ガスの流速の均一化が図られて被加工体側の排出時に飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止させることが可能となり、レーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止することが可能となるものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図により説明する。本実施形態では、レーザ加工する対象を用紙として説明するが、金属、プラスチック、フィルム等についても適用することができるものである。また、本実施形態では、ヘッド内に導入するガスをエアとして説明するが、酸素ガスや窒素ガス等のような通常レーザ加工で用いられるガスであっても適用することができるものである。
【0013】
図1に、本発明に係るレーザ加工ヘッドの構成図を示す。図1(A)はレーザ加工ヘッドの要部断面図、図1(B)はヘッドを構成するヘッド基体の説明図、図1(C)はヘッドを構成するノズル体の説明図である。図1(A)〜(C)において、レーザ加工ヘッド11は、生成されるレーザ光を被加工体(用紙)に照射して所定の加工を施すためのものであって、ヘッド基体12、ノズル体13および当該ヘッド基体12の内部に保持されるレーザ集光部である集光レンズ14を含んで構成される。当該集光レンズ14は、生成されたレーザ光を集光し、被加工体(用紙)の加工部分に収束させて照射させるためのものである。
【0014】
上記ヘッド基体12は、図1(B)に示すように、筒状部材で形成され、所定位置に集光レンズ14を保持する段差状のホールド部21(固定部材は図示を省略する)が形成されると共に、下方(ノズル体と接合する部分)に所定のガス(ここではエアとする)が供給されるガス導入口22が形成される。
【0015】
上記ノズル体13は、図1(C)に示すように、逆円錐形状のノズル先端部31と、ガス搬送部32とで構成され、当該ガス搬送部32からノズル先端部31にかけて、集光レンズ14からのレーザ光を被加工体(用紙)に照射させるための内部空間を形成するノズル内壁部33を備える。当該ガス搬送部32は、例えば円筒状のもので、レンズ側に所定数の突出部34が所定間隔(好ましくは等間隔)で一体的に形成される。これら突出部34の外周部分が上記ノズル基体12におけるガス導入口22側の内壁に当接される。また、上記ノズル基体12が接合されたときにガス搬送部32との間で形成される空間領域がガス搬送路35となり、ノズル先端部31との接合部分が基体接合面36となる。
【0016】
上記図1(C)に示すノズル体13に対して、ガス搬送部32を内包する状態で図1(B)に示すノズル基体12で嵌合されて接合されることにより、ガス搬送部32において、当該ノズル基体12のガス導入口22と上記ガス搬送路35とが連通され、当該ガス搬送部32の上方でノズル基体12のホールド部21に集光レンズ14が保持される。すなわち、ガス搬送路35は、ガス導入口22より導入されるエアをガス搬送部32の下方の導入領域より突出部34間の空間領域で分散させて上方に位置された集光レンズ14側に導き、当該集光レンズ14に周縁より直接吹き付けさせるものである。そして、集光レンズ14に吹き付けられたエアはノズル内壁部33を通って被加工体側に排出されるものである。
【0017】
そこで、図2に図1のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図を示すと共に、図3に図2のレーザ加工システムにおける供給エアの説明図を示す。図2において、レーザ加工システム41は、図1に示すレーザ加工ヘッド11、レーザ生成部42およびガス供給手段であるコンプレッサ43を少なくとも備え、被加工体である用紙45に対して所定の加工を行う。このような用紙45に対する加工としては、貫通孔の形成、ハーフカット等があり、例えば貫通加工によるミシン目線の形成、断裁、情報形成等があり、ハーフカットによる目視困難な情報形成等がある。
【0018】
上記レーザ生成部42は、レーザ加工ヘッド11に対して、用紙45に照射させるレーザ光を生成するもので、一般的なレーザとしてCO2レーザ、YAGレーザ等がある。このレーザ生成部42で生成されたレーザ光51は、集光レンズ14により集光されて用紙45の加工部分に収束されてノズル先端部31より照射される。上記コンプレッサ43は圧縮したエア52を生成するもので、当該エア52はレーザ加工ヘッド11のガス導入口22に取り付けられた供給ノズル44より当該レーザ加工ヘッド11内に供給する。
【0019】
すなわち、図3(A)に示すように、コンプレッサ43より供給ノズル44を介してガス導入口22より導入されたエア52は、ノズル基体12とガス搬送部32で形成されるガス搬送路35における下方の空間領域で周状に導かれ、ここより突出部34間で形成される空間領域(搬送路)に沿って上方に分散されて導かれる。このエア52は、ノズル基体12内に形成されたホールド部21に保持されている集光レンズ14(図3(A)では図示せず)に対して周縁より直接吹き付けられる。
【0020】
上記集光レンズ14に吹き付けられたエア52は、図3(B)に示すように、当該集光レンズ14の表面上にエアカーテン52Aを形成させ、ノズル内壁部33を通って先端より用紙45の加工部分に吹き付けられる。このとき、ノズル内壁部33では、エア52が集光レンズ14の表面に略均一に均一化された流速で吹き付けられてエアカーテン52Aを形成させ、その後にノズル先端まで吹き下ろされる状態となることから、流速の不均一性が殆どなく、従前のように加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態が発生されないものである。
【0021】
このように、ガス導入口22より導入されたエア52を分散させて集光レンズ14に直接吹き付けてノズル内壁部33における分散エアの流速を均一化させて当該集光レンズ14の表面上にエアカーテン52Aを形成させ、用紙45側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙45から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ14への付着を防止することができるものである。
【0022】
次に、図4に、本発明に係る他のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図を示す。図4に示すレーザ加工システム41は、集光レンズ14と保護部材としての保護ガラス61とによりレーザ集光部を構成させたものである。すなわち、ノズル基体12の内部に形成されたホールド部21に上記保護ガラス61を保持させ、その上方に形成したホールド部62に集光レンズ14を保持させたものである。したがって、集光レンズ14は、保護ガラス61によりノズル体13とは隔離された状態となって保護されるものである。
【0023】
上記のようなレーザ加工ヘッド11においても、従前のようなシールドガス(アシストガス)の供給形式では、スパッタや煙等の飛散物を吸い込んで保護ガラスを汚染させてレーザ出力の低下を招いていたが、本発明のようにエア52を保護ガラス61に直接吹き付けることによって、上記同様に、当該保護ガラス61の表面上にエアカーテン52Aを形成させ、用紙45側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙45から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ14への付着を防止することができるものである。
【0024】
次に、図5に、本発明に係る他のレーザ加工ヘッドの構成図を示す。図5に示すレーザ加工ヘッド11は、図1に示すノズル体13におけるガス搬送部32に形成された突出部34に代えて、上記ノズル基体12内のホールド部21の内円と略同径の突出部71を一体的に形成し、図面上垂直方向に貫通されたエア孔72を周縁状に所定数(好ましくは等間隔)形成したものである。このエア孔72が集光レンズ14(または保護ガラス61)にエアを直接吹き付けるガス搬送路35となる。
【0025】
すなわち、ガス導入口22より導入されるエアをガス搬送部32の下方の導入領域より各エア孔72(搬送路35)で分散させて上方に位置された集光レンズ14(または保護ガラス61)側に導き、当該集光レンズ14(または保護ガラス61)に周縁より直接吹き付けさせるものである。そして、集光レンズ14(または保護ガラス61)に吹き付けられたエアがノズル内壁部33を通って用紙45側に排出されるものである。
【0026】
レーザ加工ヘッド11におけるノズル体13を上記のように構成することによっても、上記同様にガス導入口22より導入されたエア52を分散させて集光レンズ14(または保護ガラス61)に直接吹き付けてノズル内壁部33における分散エアの流速を均一化させて当該集光レンズ14(または保護ガラス61)の表面上にエアカーテン52Aを形成させことができ、これによって用紙45側に排出させることにより、加工時に発生するスパッタや煙等の飛散物を吸い込むような竜巻状態の発生を防止することができ、従ってレーザ加工時に用紙45から発生する飛散物がヘッド内部に流入されず、集光レンズ14への付着を防止することができるものである。
【0027】
【発明の効果】
以上のように、レーザ加工システムで使用されるレーザ加工ヘッドにおいて、ガス導入口が形成されたヘッド基体に対して当該ガス導入口と連通して接合されるノズル体が、設けられたガス搬送部に形成された搬送路で当該ガス導入口より導入されるガスを分散させてレーザ集光部に周縁より直接吹き付けさせ、当該レーザ集光部に吹き付けたガスを被加工体側に排出させることにより、ノズル体内部の分散ガスの流速の均一化が図られてレーザ加工時に発生する被加工体からの飛散物のヘッド内部への流入によるレーザ集光部への付着を防止することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図2】図1のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図である。
【図3】図2のレーザ加工システムにおける供給エアの説明図である。
【図4】本発明に係る他のレーザ加工ヘッドが使用されるレーザ加工システムの断面構成図である。
【図5】本発明に係る他の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説明図である。
【符号の説明】
11 レーザ加工ヘッド
12 ヘッド基体
13 ノズル体
14 集光レンズ
22 ガス導入口
31 ノズル先端部
32 ガス搬送部
33 ノズル内壁部
34,71 突出部
35 ガス搬送路
41 レーザ加工システム
42 レーザ照射部
43 コンプレッサ
45 用紙
51 レーザ光
52 エア
61 保護ガラス
72 エア孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head and a laser processing system when processing is performed by irradiating a workpiece with a laser beam.
[0002]
[Prior art]
In recent years, processing using a laser beam has been performed, and the scope of application has been expanded to include objects such as metal, plastic, and paper. Laser processing is mainly performed by heat, and spatter and smoke are generated during processing. And when this spatter | spatter and smoke penetrate | invade in a laser processing head, it will contaminate a lens and protective glass, and will cause the fall of a laser output. In addition, the thermal processing using laser light causes a burning phenomenon in which the processed portion is expanded. Therefore, a technique for injecting a cooling gas into the laser processing head to reduce the burning and preventing the inflow of spatter and smoke by letting the gas flow out from the head tip is disclosed in the following patent documents and the like. .
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-6-198485 [Patent Document 2]
JP-A-9-1374 [Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-226770
FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional laser processing head. The
[0005]
In
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the shielding gas (assist gas) 107 injected into the
[0007]
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a laser processing head and a laser processing system that prevent adhesion of scattered objects from a workpiece generated during laser processing to the laser condensing portion due to inflow into the head. The purpose is to provide.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, in the invention of
[0009]
The invention of
[0010]
According to a third aspect of the present invention, the laser processing head according to the first or second aspect, laser generating means for generating laser light to be irradiated to the workpiece from the laser processing head, the head substrate, and the nozzle body Gas supply means for supplying a predetermined gas to the gas inlet of the laser processing head to which is bonded.
[0011]
As described above, in the laser processing head used in the laser processing system, the nozzle body that is joined to the head base having the gas introduction port in communication with the gas introduction port is provided in the provided gas transport unit. The gas introduced from the gas introduction port is dispersed in the formed conveyance path and blown directly to the laser condensing part from the periphery, and the gas blown to the laser condensing part is discharged to the workpiece side. That is, the introduced gas is dispersed and sprayed directly onto the laser condensing unit, so that the flow velocity of the dispersed gas inside the nozzle body is made uniform, and a tornado state in which scattered matter is sucked in when discharged on the workpiece side. It is possible to prevent the occurrence, and it is possible to prevent the scattered matter from the workpiece generated during the laser processing from adhering to the laser condensing part due to the inflow into the head.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, the object to be laser processed is described as paper, but the present invention can also be applied to metals, plastics, films, and the like. In the present embodiment, the gas introduced into the head is described as air. However, even gas that is normally used in laser processing, such as oxygen gas or nitrogen gas, can be applied.
[0013]
FIG. 1 shows a configuration diagram of a laser processing head according to the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view of a main part of a laser processing head, FIG. 1B is an explanatory view of a head base constituting the head, and FIG. 1C is an explanatory view of a nozzle body constituting the head. 1A to 1C, a
[0014]
As shown in FIG. 1B, the
[0015]
As shown in FIG. 1C, the
[0016]
The
[0017]
FIG. 2 shows a cross-sectional configuration diagram of a laser processing system in which the laser processing head of FIG. 1 is used, and FIG. 3 shows an explanatory diagram of supply air in the laser processing system of FIG. In FIG. 2, a
[0018]
The
[0019]
That is, as shown in FIG. 3A, the
[0020]
The
[0021]
In this way, the
[0022]
Next, FIG. 4 shows a cross-sectional configuration diagram of a laser processing system in which another laser processing head according to the present invention is used. A
[0023]
Also in the
[0024]
Next, FIG. 5 shows a configuration diagram of another laser processing head according to the present invention. The
[0025]
That is, the condensing lens 14 (or the protective glass 61) positioned above by dispersing the air introduced from the
[0026]
Also by configuring the
[0027]
【The invention's effect】
As described above, in the laser processing head used in the laser processing system, the gas transport portion provided with the nozzle body that is joined to the head base in which the gas introduction port is formed in communication with the gas introduction port. By dispersing the gas introduced from the gas introduction port in the conveyance path formed in the above and causing the laser condensing part to be directly blown from the peripheral edge, and discharging the gas blown to the laser condensing part to the workpiece side, The flow velocity of the dispersed gas inside the nozzle body is made uniform, and it is possible to prevent the scattered matter from the workpiece generated during laser processing from adhering to the laser condensing part due to the inflow into the head. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser processing head according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of a laser processing system in which the laser processing head of FIG. 1 is used.
FIG. 3 is an explanatory diagram of supply air in the laser processing system of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional configuration diagram of a laser processing system in which another laser processing head according to the present invention is used.
FIG. 5 is a configuration diagram of another laser processing head according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a conventional laser processing head.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
筒状部材で形成され、所定のガスが供給されるガス導入口が形成されるヘッド基体と、
前記ヘッド基体内に保持され、前記生成されたレーザ光を集光し、前記被加工体の加工部分に収束させて照射させるためのレーザ集光部と、
前記レーザ集光部からのレーザ光を前記被加工体に照射させるための内部空間が形成されて前記ヘッド基体に対して前記ガス導入口と連通して接合されるものであり、当該ガス導入口より導入される前記ガスを分散させて前記レーザ集光部に周縁より直接吹き付けるための搬送路を形成させるガス搬送部を備え、当該レーザ集光部に吹き付けられたガスを前記被加工体側に排出させるノズル体と、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。A laser processing head for performing predetermined processing by irradiating a workpiece with a generated laser beam,
A head base formed of a cylindrical member and having a gas inlet to which a predetermined gas is supplied;
A laser condensing unit that is held in the head substrate and condenses the generated laser light to converge and irradiate the processed part of the workpiece;
An internal space for irradiating the workpiece with laser light from the laser condensing unit is formed and joined to the head base in communication with the gas inlet, and the gas inlet A gas transport unit that disperses the introduced gas and forms a transport path for spraying directly from the periphery to the laser condensing unit, and discharges the gas sprayed to the laser condensing unit to the workpiece side A nozzle body,
A laser processing head characterized by comprising:
前記レーザ加工ヘッドより前記被加工体に照射させるレーザ光を生成するレーザ生成手段と、
前記ヘッド基体と前記ノズル体とが接合された前記レーザ加工ヘッドのガス導入口に所定ガスを供給するガス供給手段と、
を有することを特徴とするレーザ加工システム。The laser processing head according to claim 1 or 2,
Laser generating means for generating laser light to be irradiated to the workpiece from the laser processing head;
A gas supply means for supplying a predetermined gas to a gas introduction port of the laser processing head in which the head base and the nozzle body are joined;
A laser processing system comprising:
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