JP2005177786A - 高密度エネルギビーム加工方法及びその装置、孔付き管の製造方法及びその装置 - Google Patents
高密度エネルギビーム加工方法及びその装置、孔付き管の製造方法及びその装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ビーム照射部を横切るアシストガスの流れを形成してドロスやスパッタを切断部から吹き飛ばすようにしたものにおいて、アシストガスの流れ方向と高密度エネルギビームの切断加工進行方向との関係で切断部近くに簡易な除去手段による除去が困難な溶着物が付着しない高密度エネルギビームによる切断加工方法および装置を提供する。
【解決手段】長孔を形成する場合のビーム照射部の軌跡がaを始点として、a−b−c−d−e−aを順に経るようにする。これにより、ビーム照射部を横切るアシストガスJ2が、高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方から流れることがなくなるので、簡易な除去が困難な溶着物の付着が効果的に防止される。
【選択図】図4
【解決手段】長孔を形成する場合のビーム照射部の軌跡がaを始点として、a−b−c−d−e−aを順に経るようにする。これにより、ビーム照射部を横切るアシストガスJ2が、高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方から流れることがなくなるので、簡易な除去が困難な溶着物の付着が効果的に防止される。
【選択図】図4
Description
本発明は被加工部材に高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う高密度エネルギビーム加工方法及びその装置、管材の外面に高密度エネルギビームを照射して切断加工により孔を形成する孔付き管の製造方法及びその装置に係り、特に切断部分へのドロスの付着を極力防止するようにしたものに関する。
従来、被加工部材を切断加工して、被加工部材から不要部分を切り離したり、穴を明けたり、細い透溝(スリット)を形成したりする場合の加工方法として、高蜜度エネルギビームを被加工部材の切断すべき部分(以下、切断加工部)に照射し、その熱で切断加工部を溶融させて切断する方法がある。この切断の際には、通常、高蜜度エネルギビームの照射と同時に、加工ノズルから窒素や酸素などのアシストガスを噴射し、切断加工により生じたドロス(溶融物)やスパッタ(蒸気)を、そのアシストガスによって速やかに除去するようにして、それらが管材や加工ノズルの集光レンズに付着したりしないようにしている。
このように高蜜度エネルギビームの照射側からアシストガスを吹き付けながら被加工部材の切断加工を行うと、多くの場合、高蜜度エネルギビームの照射によって生じたドロスがアシストガスにより切断部の下方に流され、切断部の周辺部に付着したりする。
このドロスの付着を防止するための方法、装置として、特許文献1及び2に開示されたものがある。
このドロスの付着を防止するための方法、装置として、特許文献1及び2に開示されたものがある。
これは、高密度エネルギビームの照射側と、その反対側とから供給されるアシストガスのうち、一方のアシストガスは、高密度エネルギビームの照射により被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方のアシストガスは、少なくとも被加工部材の表面部分においてビーム照射部の内側および外側周辺のうちの一方側から他方側へと向く流れを有していることを特徴としている。
この構成によれば、一方のアシストガスが切断部を通じて反対側に流れる際、切断加工によって生じたドロスは、切断部を通じて被加工部材の反対側に押し流される。ドロスが押し流された反対側では、他方のアシストガスがビーム照射部の内側から外側へ、或いは外側から内側へと流れているので、反対側に押し流されたドロスはその他方のアシストガスによって吹き飛ばされる。このため、ドロスの付着を大幅に低減することができるものである。
特開2000−225486号公報
特開2002−35973号公報
本発明者は、種々の試行を繰り返し、図21(a)に示すように、例えば、高密度エネルギビームBの照射側において被加工部材1のビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成しておくことによってドロスの付着を一層確実に防止する着想を得た。
このようにビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成しておくと、高密度エネルギビームにより被加工部材1に切断部3が開口形成されたとき、その切断部3を通じて吹き出すアシストガスA2によりドロスDやスパッタが上方に吹き飛ばされ、更にその上方に吹き飛ばされたドロスDやスパッタをアシストガスA1によって切断部2から横方向へ吹き飛ばす。
このようにビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成しておくと、高密度エネルギビームにより被加工部材1に切断部3が開口形成されたとき、その切断部3を通じて吹き出すアシストガスA2によりドロスDやスパッタが上方に吹き飛ばされ、更にその上方に吹き飛ばされたドロスDやスパッタをアシストガスA1によって切断部2から横方向へ吹き飛ばす。
すると、ドロスDやスパッタは切断部3から吹き飛ばされてゆく過程で冷えて微粒子状に固化するので、高密度エネルギビームの照射によって高温度にされた切断部3から横方向に吹き飛ばされることと相俟って、ドロスやスパッタが切断部2の周縁に付着することがなくなるというものである。
ところが、本発明者はこのビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成した場合、高密度エネルギビームの切断加工進行方向とアシストガスA1の流れ方向によってはドロスの付着防止が確実でない場合の生ずることを見出した。例えば、図21(b)に示すように両側が半円弧状となっている長孔5を形成する場合、同図(c)に示すように高密度エネルギビームは長孔5の周囲部を一周することによって当該周囲部に沿った切断部3を形成する。
ところが、本発明者はこのビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成した場合、高密度エネルギビームの切断加工進行方向とアシストガスA1の流れ方向によってはドロスの付着防止が確実でない場合の生ずることを見出した。例えば、図21(b)に示すように両側が半円弧状となっている長孔5を形成する場合、同図(c)に示すように高密度エネルギビームは長孔5の周囲部を一周することによって当該周囲部に沿った切断部3を形成する。
この場合、図21(d)及び(e)に示すように、アシストガスA1が同図(d)及び(e)の下側から上側に向って流れていたとすると、同(d)のように高密度エネルギビームの切断加工進行方向が反時計回り方向であった場合、Eで示す個所にドロスが堆積するようにして溶着する状態が発生し、同(e)のように高密度エネルギビームの切断加工進行方向が時計回り方向であった場合、Fで示す個所に上記のような溶着物が付着する状態が発生した。
アシストガスA1及びA2を流しても、長孔5の開口縁にドロスがバリ状になって付着して残ることを完全に防止することは困難であるが、このような付着物は後加工として被加工部材1を酸洗浄したり、金属ブラシでのバリ取り作業を行ったりすると容易に除去できる。しかしながら、上記のEやFといった個所に付着した溶着物は酸洗浄やブラシ掛けなどでは除去できず、完全除去には研削加工或は切削加工しなければならない。従って、完全除去のための設備費や検査工数がかかり、製造コストが上昇するという問題を生ずる。
上述のようなビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成しておくことは、ドロスの付着防止にとってより効果的ではある。しかしながら、アシストガA1の流れ方向と高密度エネルギビームの切断加工進行方向との関係で除去困難なドロスが多く付着する現象が生じ、これを解消しない限り、ビーム照射部2を横切るアシストガスA1の流れを形成してドロスの付着防止効果を高めることは困難である。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ビーム照射部を横切るアシストガスの流れを形成してドロスやスパッタを切断部から吹き飛ばすようにしたものにおいて、アシストガスの流れ方向と高密度エネルギビームの切断加工進行方向との関係で切断部近くにドロスが付着する減少を生じないようにすることができる高密度エネルギビーム加工方法及びその装置、孔付き管の製造方法及びその装置を提供することにある。
本発明者は、高密度エネルギビームにより被加工部材に切断部が開口形成されたとき、その切断部を通って流れ出るアシストガスの流れを形成すると共に、ビーム照射部を横切るアシストガスの流れを形成してドロスの付着を防止するようにしたものにおいて、ドロスが堆積状態に溶着する場合の環境を究明するための実験を多数実行した。
この実験の結果、本発明者は、ビーム照射部を横切るアシストガスが、高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方から流れてくるようになると、切断加工部分の風下側にドロスが堆積状態に溶着することを究明した。つまり、図21(d)及び(e)のように、アシストガスが高密度エネルギビームの切断加工進行方向に対して斜め前方から流れる関係になるE位置及びF位置にドロスが溶着するのである。なお、この関係で図21(d)にGで示す個所及び図21(e)にHで示す位置にもドロスが溶着するが、これは切り落とされて孔となる部分であるから問題は生じない。
この実験の結果、本発明者は、ビーム照射部を横切るアシストガスが、高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方から流れてくるようになると、切断加工部分の風下側にドロスが堆積状態に溶着することを究明した。つまり、図21(d)及び(e)のように、アシストガスが高密度エネルギビームの切断加工進行方向に対して斜め前方から流れる関係になるE位置及びF位置にドロスが溶着するのである。なお、この関係で図21(d)にGで示す個所及び図21(e)にHで示す位置にもドロスが溶着するが、これは切り落とされて孔となる部分であるから問題は生じない。
以上のことから、請求項1の発明では、被加工部材に高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う高密度エネルギビーム加工方法において、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側の両側からアシストガスを供給し、
この被加工部材の両側から供給されるアシストガスのうち、一方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射により前記被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにした。
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側の両側からアシストガスを供給し、
この被加工部材の両側から供給されるアシストガスのうち、一方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射により前記被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにした。
また、請求項2の発明では、被加工部材に高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う高密度エネルギビーム加工装置において、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの一方側からアシストガスを供給し、前記高密度エネルギビームの照射によって前記被加工部材に開口形成された切断部から他方側へ流す第1のガス供給手段と、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの他方側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにする第2のガス供給手段とを具備したものとした。
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの一方側からアシストガスを供給し、前記高密度エネルギビームの照射によって前記被加工部材に開口形成された切断部から他方側へ流す第1のガス供給手段と、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの他方側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにする第2のガス供給手段とを具備したものとした。
請求項3の発明では、管材にその外側から高密度エネルギビームを照射して切断加工することにより孔を形成する孔付き管の製造方法において、
前記管材のビーム照射部に対し、前記管材の内側と外側の両側からアシストガスを供給し、この両側から供給されるアシストガスのうち、前記管材の内側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に形成された切断部から管材の外側へと流れ、
前記管材の外側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにした。
前記管材のビーム照射部に対し、前記管材の内側と外側の両側からアシストガスを供給し、この両側から供給されるアシストガスのうち、前記管材の内側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に形成された切断部から管材の外側へと流れ、
前記管材の外側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにした。
請求項4の発明では、管材にその外側から高密度エネルギビームを照射して切断加工することにより孔を形成する孔付き管の製造装置において、
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の内側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に開口形成された切断部から管材の外側へと流す第1のガス供給手段と、
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の外側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流す第2のアシストガス供給手段とを具備したものとした。
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の内側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に開口形成された切断部から管材の外側へと流す第1のガス供給手段と、
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の外側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流す第2のアシストガス供給手段とを具備したものとした。
以上の請求項1乃至4の発明によれば、ビーム照射部を横切って流れるアシストガスは、高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向からビーム照射部を横切るように流れるので、容易に除去できない溶着物の付着を効果的に防止しながら切断加工を行うことができる。
また、孔付き管の製造装置において、請求項5の発明では、前記第1のガス供給手段は、前記管材の内側に挿入されたガス吐出ノズルから構成した。請求項6の発明では、前記第2のガス供給手段は、前記管材に形成される孔の外側に配置された1個のガス供給ノズルから構成され、前記高密度エネルギビームによる前記孔の周囲の切断加工を、当該孔の周囲の一部の切断加工と残りの一部の切断加工とに分け、それぞれの切断加工の進行方向を互いに逆向きとすることにより、アシストガスが前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるように構成した。
また、孔付き管の製造装置において、請求項5の発明では、前記第1のガス供給手段は、前記管材の内側に挿入されたガス吐出ノズルから構成した。請求項6の発明では、前記第2のガス供給手段は、前記管材に形成される孔の外側に配置された1個のガス供給ノズルから構成され、前記高密度エネルギビームによる前記孔の周囲の切断加工を、当該孔の周囲の一部の切断加工と残りの一部の切断加工とに分け、それぞれの切断加工の進行方向を互いに逆向きとすることにより、アシストガスが前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるように構成した。
請求項7の発明では、前記第2のガス供給手段は、前記管材に形成される孔を挟んでその両側に配置された2個のガス供給ノズルから構成され、その2個のガス供給ノズルは前記高密度エネルギビームの加工進行方向に応じてアシストガスを噴出することにより、当該アシストガスが前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向の斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるように構成した。
請求項8の発明では、前記第2のガス供給手段は、前記ビーム照射部の移動に追従する追従手段によって当該ビーム照射部の移動に追従して移動し、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に対して前記ビーム照射部の後側からアシストガスを供給するようにした。
以下、本発明を実施形態により具体的に説明する。
[第1の実施形態]
図1乃至図5は第1の実施形態を示す。この実施形態は、金属製の管材への孔明け加工を高密度エネルギビームによって実施する場合に適用したものである。図1は高密度エネルギビーム加工装置としてのレーザ加工装置を示すもので、同図において、加工ノズル11は、伝送管12を介して図示しない発振器に接続されており、その加工ノズル11の先端出口11aの上方には保護ガラス13、更にその上に集光レンズ14が設けられている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームとしてのレーザビームLBは、伝送管12中のベントミラー(図示せず)により方向を変えられ、集光レンズ14および保護ガラス13を通過して加工ノズル11の出口11aから被加工部材としての管材15に向けて照射される。なお、高密度エネルギビームは、レーザ、電子ビーム、光ビームなどが適用できるが、レーザが取扱いの面からすると好適である。
[第1の実施形態]
図1乃至図5は第1の実施形態を示す。この実施形態は、金属製の管材への孔明け加工を高密度エネルギビームによって実施する場合に適用したものである。図1は高密度エネルギビーム加工装置としてのレーザ加工装置を示すもので、同図において、加工ノズル11は、伝送管12を介して図示しない発振器に接続されており、その加工ノズル11の先端出口11aの上方には保護ガラス13、更にその上に集光レンズ14が設けられている。そして、発振器から発射された高密度エネルギビームとしてのレーザビームLBは、伝送管12中のベントミラー(図示せず)により方向を変えられ、集光レンズ14および保護ガラス13を通過して加工ノズル11の出口11aから被加工部材としての管材15に向けて照射される。なお、高密度エネルギビームは、レーザ、電子ビーム、光ビームなどが適用できるが、レーザが取扱いの面からすると好適である。
上記加工ノズル11の下方には図示しない加工テーブルが設けられており、その加工テーブル上に中空の回転ヘッド16が設けられている。そして、回転ヘッド16にチャック17が設けられており、このチャック17に管材15が取り付けられるようになっている。この実施例において、管材15は図2に示すような内部に空間を有した金属円筒材であり、この管材15の周壁には、図3に示すような平面形状の長孔18、つまり両端部が半円状の長孔18が管材15の内部空間と外部とを連通させるようにして90度の角度間隔を置いて4個切断加工される。
上記の加工ノズル11はZ軸方向(上下方向)に移動可能に構成され、加工テーブルはXY軸方向(水平面内での縦横方向)に移動可能に構成されている。これらの加工ノズル11及び加工テーブルの移動動作は、図示しない制御装置によって予め設定されたプログラムに基づいて自動制御される。そして、発振器から発射されたレーザビームLBは、上述のようにして集光レンズ14を通過してチャック17に取り付けられた管材15の外周面に集束される。
長孔18の切断加工時には、加工ノズル11および加工テーブルが移動すると共に、回転ヘッド16が回転し、これにより加工ノズル11が管材15に対し、切断すべき線に沿ってレーザビームLBを照射するように相対移動するようになっている。従って、これら加工ノズル11、加工テーブル及び回転ヘッド16は、レーザビームLBの照射部(ビーム照射部)を切断すべき線に沿って相対移動させる相対移動手段として機能する。
なお、相対移動手段としては、加工ノズル11を移動させるロボットハンドから構成しても良い。
1つの長孔18の加工を終了すると、次の長孔18を切断加工するために、回転ヘッド16を搭載した図示しない加工テーブルが横方向に移動し、或いは回転ヘッド16がチャック17を所定角度回転させて、次の長孔18を明ける部分(切断加工部)をレーザビームLBの照射位置に移動させるようになっている。
1つの長孔18の加工を終了すると、次の長孔18を切断加工するために、回転ヘッド16を搭載した図示しない加工テーブルが横方向に移動し、或いは回転ヘッド16がチャック17を所定角度回転させて、次の長孔18を明ける部分(切断加工部)をレーザビームLBの照射位置に移動させるようになっている。
さて、切断加工は、管材15のレーザビームLBの照射部(以下、単にビーム照射部という。)に対し、管材15の内外両側から窒素や酸素などのアシストガスを供給しながら行われる。そのうち、管材15の内側からのアシストガスの供給は、第1のガス供給手段としての第1のガス供給ノズル19によって行われる。すなわち、この第1のガス供給ノズル19は、内部にガス通路19aを有した円柱状に形成されており、図示しないガス供給源に接続されている。そして、この第1のガス供給ノズル19は、回転ヘッド16の中空内部に当該回転ヘッド16の回転中心と同心となるように通されて、先端部分がチャック17から突出している。なお、第1のガス供給ノズル19は、加工テーブル側に固定されて回転不能になっている。
また、第1のガス供給ノズル19の先端部上面には、吐出口19bが垂直上向きとなるように形成されている。この吐出口19bは管材15に形成される長孔18よりも一回り大きく形成されている。そして、管材15の孔明け加工に際しては、管材15の内部空間に第1のガス供給ノズル19を挿入するようにして当該管材15をチャック17に取り付ける。この場合、第1のガス供給ノズル19の先端部の外周面は、管材15の内周面に密に嵌合接触して吐出口19bの周縁部が管材15の内周面によってシールされるようになっている。
一方、ビーム照射部に対する管材15の外側からのアシストガスの供給は、加工ノズル11から行われると共に、加工ノズル11に固定して設けられた第2のガス供給手段としての第2のガス供給ノズル20から行われるようになっている。すなわち、加工ノズル11には、集光レンズ14よりも出口11a側に位置してアシストガス導入管21が設けられており、この導入管21は図示しないガス供給源に接続されている。
そして、ガス供給源からアシストガス導入管21を介して加工ノズル11内に供給されたアシストガスは、加工ノズル11の出口11aから管材15の表面に向けて吐出される。加工ノズル11の出口11aから吐出されたアシストガスは管材15に当たって当該管材15の表面に沿って流れる。このとき、加工ノズル11が先細の円錐状をなしていることにより、管材15の表面に当たったアシストガスのうち、より多くの量のアシストガスがビーム照射部の外側から内側に向かって流れるようになる。なお、この加工ノズル11からのガス流出は加工ノズル11の保護ガラス13や集光レンズ14にレーザ加工により発生するドロスやスパッタが付着しないようにする機能も有する。
また、第2のガス供給ノズル20は、図3に示すように、ガスの噴出方向がチャック17に取り付けられた管材15の中心線に対してほぼ直角となるように、且つ図2に示すように、噴出したアシストガスが長孔18の形成部分(切断加工部)に斜め上方から吹き当たるように加工ノズル11に固定されている。このように配設された第2のガス供給ノズル20の吐出口20aから吐出されたガスは、管材15の中心線に対して直交するようにしてビーム照射部に向って流れ、且つビーム照射部を横切って反対側へと流れ去る。
この場合、第1のガス供給ノズル19、第2のガス供給ノズル20から吐出されるアシストガスの圧力は、加工ノズル11から吐出されるアシストガスの圧力よりも高圧に設定されていて、第1のガス供給ノズル19、第2のガス供給ノズル20から吐出されるアシストガスの流れが加工ノズル11から吐出されるガスによって影響を受けないようにしている。なお、加工ノズル11から吐出されるアシストガスは特に管材15の切断加工部に当てる必要はない。
ここで、管材15に長孔18をレーザビームLBによって形成する場合、そのレーザビームLBは長孔18の周辺を切断加工する。これにより、切断加工部によって囲まれた部分が切り落とされ、長孔18が形成される。本実施例では、長孔18の周辺をレーザビームLBによって切断加工する際、レーザビームLBの照射部(レーザ照射部)が、図4に示すように、a−b−c−d−e−aという軌跡を辿るように加工テーブル及び回転ヘッド16の動作が制御される。
なお、a−b−c−d−e−aなる軌跡は、長孔18として形成される部分の中央を始点aとし、ここから長孔18の周縁部上の点bまで斜めに進み、そして長孔18の周縁部上を反時計回り方向に点cまで進み、点cから長孔18となる部分を横切って既に切断加工されているb−c間の一点dまで進み、この点dから長孔18の周縁部上を時計回り方向に既に切断加工されているb−c間の一点eまで進み、そして元の位置aまで戻る、という軌跡である。
このような軌跡を辿る切断加工を実行すると、反時計回りの軌跡b−c線が先に切断加工されている軌跡a−b線と交差する際、軌跡a−b−c−d線に囲まれた右側部分が切り落とされ、そして、時計回りの軌跡d−e線が先に切断加工されている反時計回りの軌跡b−c線と一致するc点に達すると、左側部分が切り落とされて長孔18として形成される。
なお、c点からd点への軌跡は第2のガス供給ノズル20から噴出されるアシストガスの流れが、切断加工進行方向に向って斜め前方からの流れとなるので、レーザ加工装置のシャッタ(図示せず)を閉じてレーザビームLBが加工ノズル11から出射されないようにすることが好ましい。但し、長孔18の周縁からc−d線への移動は曲線ではなく、鋭角状に素早く行われ、しかもc−d線は切除される部分を通るのであるから、最終的にc点の風下側に付着して残る溶着物はほとんどなく、仮にあってもバリ状で容易に除去できるので、特にレーザビームLBの出射をとめなくとも良い。
次に上記構成の作用を説明する。
管材15に孔明け加工を行うには、管材15を図1に示すようにチャック17に取り付ける。そして、加工ノズル11からレーザビームLBを管材15に照射しながら、アシストガス導入管21から加工ノズル11内にアシストガスを導入し、その加工ノズル11の内部を通して出口11aからアシストガスをビーム照射部に向けて噴出させる。また、第1のガス供給ノズル19のガス通路19a内のアシストガスにガス圧を加えておく。更に、第2のガス供給ノズル20から管材15に向けてガスを噴出させておく。
管材15に孔明け加工を行うには、管材15を図1に示すようにチャック17に取り付ける。そして、加工ノズル11からレーザビームLBを管材15に照射しながら、アシストガス導入管21から加工ノズル11内にアシストガスを導入し、その加工ノズル11の内部を通して出口11aからアシストガスをビーム照射部に向けて噴出させる。また、第1のガス供給ノズル19のガス通路19a内のアシストガスにガス圧を加えておく。更に、第2のガス供給ノズル20から管材15に向けてガスを噴出させておく。
孔明け加工は、まず、図4にaで示す位置にレーザビームLBを照射して当該部分に小孔22を形成し、次いでレーザビームLBの照射部がa点から長孔18の周縁上の一点bを経て当該周縁上をc点に向って移動してゆく。
レーザビームLBが管材15に照射されると、ビーム照射部が加熱されて溶融する。この溶融(切断)により、図2に示すように、管材15の切断加工部の一部に内外に開通する切断部Cが明けられる。なお、レーザビームLBはパルス状に出射される。このため、管材15には、図5に示すように、レーザビームLBが照射される毎に円形孔が明けられ、これが連続することによって線状の切断部Aとして形成される。
レーザビームLBが管材15に照射されると、ビーム照射部が加熱されて溶融する。この溶融(切断)により、図2に示すように、管材15の切断加工部の一部に内外に開通する切断部Cが明けられる。なお、レーザビームLBはパルス状に出射される。このため、管材15には、図5に示すように、レーザビームLBが照射される毎に円形孔が明けられ、これが連続することによって線状の切断部Aとして形成される。
さて、管材15に切断部C(最初の1個の円形孔を含む。)が明けられると、図2に矢印J1で示すように、第1のガス供給ノズル19の吐出口19bから噴出されるアシストガスが切断部Cを通して管材15の外側へと流れ出し、このアシストガスJ1は、切断部Cの切断加工によって生じたドロスDやスパッタを管材15の外側へと押し流す。これにより、ドロスDが切断部Cの内面および管材15の内周面における切断部Cの開口周縁部分に付着して残ることが防止される。
管材15の外側に押し流されたドロスDやスパッタは、第1のガス供給ノズル19から切断部Cを通って外部に流れ出るアシストガスJ1によって上方へと吹き飛ばされる。更に、第2のガス供給ノズル20から噴出されたアシストガスが矢印J2で示すように切断部Cの一方側から当該切断部Cを横切って他方側へと流れるため、管材15の内側から切断部Cを通って吹き出るアシストガスJ1によって上方へと吹き飛ばされたドロスDやスパッタは第2のガス供給ノズル20から噴射されたアシストガスJ2により切断部Cの横方向外側へと吹き飛ばされる。
なお、吹き飛ばされたスパッタはアシストガスに晒されて冷やされ、粒子状の固形物となる。また、加工ノズル11から吹き出されたアシストガスは、第2のガス供給ノズル20から吐出されるアシストガスによって横方向に流される。
このように、切断部Cから吹き出るアシストガスJ1によって上方へと吹き飛ばされたドロスDやスパッタは、第2のガス供給ノズル20から噴射されるアシストガスJ2によって切断部Cから横方向に吹き飛ばされる。このため、ドロスDやスパッタがレーザビームLBを照射されて高温度となっている切断部Cの周縁に触れて塊状の溶着物となって付着することが効果的に防止される。
このように、切断部Cから吹き出るアシストガスJ1によって上方へと吹き飛ばされたドロスDやスパッタは、第2のガス供給ノズル20から噴射されるアシストガスJ2によって切断部Cから横方向に吹き飛ばされる。このため、ドロスDやスパッタがレーザビームLBを照射されて高温度となっている切断部Cの周縁に触れて塊状の溶着物となって付着することが効果的に防止される。
しかも、レーザビームLBによる切断加工の進行方向を、長孔18の周縁に沿ったビーム照射部の右側ほぼ半分は、第2のガス供給ノズル20からのアシストガスの噴出方向から見て反時計回り方向に定め、残りの左側ほぼ半分は時計回り方向に定めたので、第2のガス供給ノズル20から噴出するアシストガスは、レーザビームLBの切断加工進行方向の斜め前方から切断部Cを横切るように流れる状態になることがない。
このため、アシストガスがレーザビームLBの切断加工進行方向の斜め前方から切断加工部Aを横切るように流れることにより、溶着物が切断部C近くの風下側に付着するといったことを効果的に防止できる。勿論、切断部Cやその近傍にドロスが付着することを完全には防止できないが、仮に付着しても、それらは酸洗浄やブラシ掛けなどによって容易に除去できるもので、研削や切削による除去を必要とするようなものではない。
このようにして1個の長孔18を加工した後、別の長孔18を加工するには、加工テーブルを横方向に移動させたり、回転ヘッド16を回転させたりすることによって別の長孔18を形成する部位を加工ノズル11の下に次の長孔加工部位を位置させる。この長孔加工時においても上記と同様にして管材15の内外両周面における長孔18の周縁部にドロスDがバリ状に付着したり、長孔18の周縁部近くに溶着物が付着したりすることを効果的に防止することができる。
[第2の実施形態]
図6及び図7は本発明の第2の実施形態を示すもので、上述の第1の実施形態との相違は、加工ノズル11に、第2のガス供給ノズル20と同様のガス供給ノズル(第2のガス供給手段)23を、加工ノズル11を中間に挟んで対称となる位置に設けたところにある。そして、両第2のガス供給ノズル20,23からはレーザビームLBの切断加工の進行方向に応じて選択的にアシストガスを噴出すようにする。
図6及び図7は本発明の第2の実施形態を示すもので、上述の第1の実施形態との相違は、加工ノズル11に、第2のガス供給ノズル20と同様のガス供給ノズル(第2のガス供給手段)23を、加工ノズル11を中間に挟んで対称となる位置に設けたところにある。そして、両第2のガス供給ノズル20,23からはレーザビームLBの切断加工の進行方向に応じて選択的にアシストガスを噴出すようにする。
即ち、ビーム照射部は、図7に示すように、Lから長孔18の周縁上の点M、そこから例えば反時計回り方向にNを経てOまで至り、OからLに戻るという軌跡を辿って長孔18を形成する。このとき、LからMを経てNまでのほぼ半周分は一方の第2のガス供給ノズル20からアシストガスを供給し、NからOまでのほぼ半周は他方のガス供給ノズル23からアシストガスを供給する。
このように、両第2のガス供給ノズル20,23のうちから、レーザビームLBの切断加工進行方向に応じてアシストガスを噴出すガス供給ノズルを選択することにより、ビーム照射部に、レーザビームLBの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向からアシストガスを吹き当てることができる。このため、長孔18の周縁部に溶着物が付着することを効果的に防止することができる。
[第3の実施形態]
図8及び図9は本発明の第3の実施形態を示す。この実施形態では、上述の第2の実施形態と同様に第2のガス供給手段を2個の第2のガス供給ノズル20,23から構成している。第2の実施形態との相違は、両第2のガス供給ノズル20,23を追従手段としてのロボットアーム24,25にそれぞれ取り付け、そして、2台のロボットアーム24,25によって第2のガス供給ノズル20,23を常にレーザビームLBの切断加工進行方向に向ってビーム照射部の後側となる位置に移動させ、当該ビーム照射部に切断加工進行方向後側からアシストガスを噴出させるようにしたことにある。
図8及び図9は本発明の第3の実施形態を示す。この実施形態では、上述の第2の実施形態と同様に第2のガス供給手段を2個の第2のガス供給ノズル20,23から構成している。第2の実施形態との相違は、両第2のガス供給ノズル20,23を追従手段としてのロボットアーム24,25にそれぞれ取り付け、そして、2台のロボットアーム24,25によって第2のガス供給ノズル20,23を常にレーザビームLBの切断加工進行方向に向ってビーム照射部の後側となる位置に移動させ、当該ビーム照射部に切断加工進行方向後側からアシストガスを噴出させるようにしたことにある。
このように、アシストガスが常に切断加工の進行方向の後側からビーム照射部に噴き当てられるようにすることによって一層確実に溶着物がビーム照射部の近くに付着することを防止できる。
[第4の実施形態]
図10は本発明の第4の実施形態を示すもので、この実施例が前述の第1に実施形態と異なるところは、第2のガス供給ノズル20を、加工ノズル11に当該加工ノズル11を中心に回転可能に設けた追従手段としての回転ヘッド26に取り付けたところにある。回転ヘッド26はNC制御によって回転動作し、これによって第2のガス供給ノズル20を常にレーザビームLBの切断加工進行方向に対してビーム照射部の後側からアシストガスを噴出するようにしている。
[第4の実施形態]
図10は本発明の第4の実施形態を示すもので、この実施例が前述の第1に実施形態と異なるところは、第2のガス供給ノズル20を、加工ノズル11に当該加工ノズル11を中心に回転可能に設けた追従手段としての回転ヘッド26に取り付けたところにある。回転ヘッド26はNC制御によって回転動作し、これによって第2のガス供給ノズル20を常にレーザビームLBの切断加工進行方向に対してビーム照射部の後側からアシストガスを噴出するようにしている。
[第5の実施形態]
図11は本発明の第5の実施形態を示す。この実施形態は、被加工部材を管材ではなく、平板状の金属製部材としたところにある。平板状の被加工部材27の場合には、これをチャンバ28を有した取付治具29にセットする。チャンバ28はガス導入管30を介してガス供給源に接続されており、レーザビームLBの照射により切断部Aが開口形成されると、この切断部Aを通じてチャンバ28内のアシストガスが噴出する。
図11は本発明の第5の実施形態を示す。この実施形態は、被加工部材を管材ではなく、平板状の金属製部材としたところにある。平板状の被加工部材27の場合には、これをチャンバ28を有した取付治具29にセットする。チャンバ28はガス導入管30を介してガス供給源に接続されており、レーザビームLBの照射により切断部Aが開口形成されると、この切断部Aを通じてチャンバ28内のアシストガスが噴出する。
[その他の実施形態]
図12は本発明の第6の実施形態を示す。これは被加工部材に形成する孔を円形孔31としたもので、この円形孔31に第1の実施形態と同様に加工ノズル11に取り付けた第2のガス供給ノズル20からのアシストガスを吹き当てる場合のビーム照射部の軌跡を示したものである。
図12は本発明の第6の実施形態を示す。これは被加工部材に形成する孔を円形孔31としたもので、この円形孔31に第1の実施形態と同様に加工ノズル11に取り付けた第2のガス供給ノズル20からのアシストガスを吹き当てる場合のビーム照射部の軌跡を示したものである。
即ち、Qから円形孔31の周縁上の点Rに至り、このR点から例えば反時計回り方向にほぼ半周分移動した点S、SからT、Tから時計回り方向にUまで移動し、そしてQに戻るという軌跡を辿って切断加工を行う。これにより、第2のガス供給ノズル20から噴出されるアシストガスJ2はレーザビームLBの切断加工進行方向の斜め前方以外の部分からビーム照射部に吹き当てられるようになる。
図13乃至図19は本発明の第7乃至第13の各実施形態を示すもので、これらは孔ではなく、細幅のスリットをレーザビームLBによって開口形成したものである。これらの図13乃至図19において、矢印32乃至38はレーザビームLBによる切断加工の進行方向を示し、矢印39乃至45は1個の第2のガス供給手段としてのガス供給ノズルからのアシストガスの流れ方向を示す。
即ち、図13乃至図15の第7乃至第9の実施形態は、直線のスリット46を形成するものであり、図13の第7の実施形態は、レーザビームLBによる切断加工進行方向に対してレーザビームLBの照射部の後方からアシストガスが流れるようにしたもの、図14及び図15の第8及び第9の各実施形態は、レーザビームLBによる切断加工進行方向に対してレーザビームLBの照射部の斜め後方からアシストガスが流れるようにしたものである。
また、図16及び図17の第10及び第11の各実施形態は、ほぼL字型或は逆L字型のスリット47を形成するもの、図18及び図19の第12及び第13の実施形態は、ほぼコ字型及び逆コ字型のスリット48を形成するもので、これら各実施形態はレーザビームLBによる切断加工進行方向に対してビーム照射部の後方及びほぼ直交する方向からアシストガスを流すようにしたものである。
上記の実施例に代えて、或は上記の実施例と組み合わせて図20に示す手法を採用することができる。本手法によっても溶着物(ドロス)の付着を低減でき、溶着物の量をブラシで除去できる量に制御することができる。本手法では、切断線上でのレーザビームLBの照射開始位置を、アシストガスJ2の流れ方向、レーザビームLBの照射軌跡の形状(孔18の形状)およびレーザビームLBの照射部(ビーム照射部)の移動方向の相互関係から決定する。
本手法では、切断線上におけるレーザビームLBの照射開始位置を、ドロスの溜まり易い位置(図21でE,F)に設定する。具体的には、ビーム照射部の移動軌跡上のビーム照射部の移動方向が、アシストガスJ2の流れ方向と直角の方向から、アシストガスJ2の風下より風上へと向う方向へと変化する位置に、レーザビームLBの照射開始位置を定める。
つまり、長孔18を形成する場合、図20(a)に示すように、ビーム照射部の移動方向が反時計回り方向である場合には、アシストガスJ2の流れ方向との関係で、E´の位置にドロスが溜まり易いため、レーザビームLBの照射開始位置を、アシストガスJ2の流れ方向と直角の方向から、アシストガスJ2の風下より風上へと向う方向へと変化する位置である(イ)点に設定する。また、図20(b)に示すように、ビーム照射部の移動方向が時計回り方向である場合には、アシストガスJ2の流れ方向との関係で、F´の位置にドロスが溜まり易いため、レーザビームLBの照射開始位置を、アシストガスJ2の流れ方向と直角の方向から、アシストガスJ2の風下より風上へと向う方向へと変化する位置である(ロ)点に設定する。本手法は、それ単独で、或は叙述した実施例と組み合わせて用いることができる。
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施例に限定されるものではなく、例えば、図11の平板状の被加工部材に対しては、メーンアシストガスをレーザビームLBの照射側(上側)から反対側(下側)へ流し、サイドガスをレーザビームLBの照射側とは反対側においてビーム照射部を横切るように流すようにしても良い等、要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
図面中、11は加工ノズル、15は管材(被加工部材)、18は長孔、19はガス吐出ノズル(第1のガス供給手段)、20はガス供給ノズル(第2のガス供給手段)、23はガス供給ノズル(第2のガス供給手段)、24,25はロボットアーム、26は回転ヘッド、27は被加工部材、29は取付治具、Aは切断部である。
Claims (8)
- 被加工部材に高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う高密度エネルギビーム加工方法において、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側の両側からアシストガスを供給し、
この被加工部材の両側から供給されるアシストガスのうち、一方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射により前記被加工部材に開口形成された切断部を通じて反対側に流れ、他方側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにしたことを特徴とする高密度エネルギビーム加工方法。 - 被加工部材に高密度エネルギビームを照射して切断加工を行う高密度エネルギビーム加工装置において、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの一方側からアシストガスを供給し、前記高密度エネルギビームの照射によって前記被加工部材に開口形成された切断部から他方側へ流す第1のガス供給手段と、
前記被加工部材のビーム照射部に対し、前記高密度エネルギビームの照射側とその反対側のうちの他方側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにする第2のガス供給手段とを具備してなる高密度エネルギビーム加工装置。 - 管材にその外側から高密度エネルギビームを照射して切断加工することにより孔を形成する孔付き管の製造方法において、
前記管材のビーム照射部に対し、前記管材の内側と外側の両側からアシストガスを供給し、この両側から供給されるアシストガスのうち、前記管材の内側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に形成された切断部から管材の外側へと流れ、
前記管材の外側から供給されるアシストガスは、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるようにしたことを特徴とする孔付き管の製造方法。 - 管材にその外側から高密度エネルギビームを照射して切断加工することにより孔を形成する孔付き管の製造装置において、
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の内側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの照射によって前記管材に開口形成された切断部から管材の外側へと流す第1のガス供給手段と、
前記管材のビーム照射部に対し、当該管材の外側からアシストガスを供給し、そのアシストガスを前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流す第2のアシストガス供給手段とを具備してなる孔付き管の製造装置。 - 前記第1のガス供給手段は、前記管材の内側に挿入されたガス吐出ノズルから構成されていることを特徴とする請求項4記載の孔付き管の製造装置。
- 前記第2のガス供給手段は、前記管材に形成される孔の外側に配置された1個のガス供給ノズルから構成され、前記高密度エネルギビームによる前記孔の周囲の切断加工を、当該孔の周囲の一部の切断加工と残りの一部の切断加工とに分け、それぞれの切断加工の進行方向を互いに逆向きとすることにより、アシストガスが前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に向って斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるように構成したことを特徴とする請求項4または5記載の孔付き管の製造装置。
- 前記第2のガス供給手段は、前記管材に形成される孔を挟んでその両側に配置された2個のガス供給ノズルから構成され、その2個のガス供給ノズルは前記高密度エネルギビームの加工進行方向に応じてアシストガスを噴出することにより、当該アシストガスが前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向の斜め前方以外の方向から前記ビーム照射部を横切って流れるように構成したことを特徴とする請求項4または5記載の孔付き管の製造装置。
- 前記第2のガス供給手段は、前記ビーム照射部の移動に追従する追従手段によって当該ビーム照射部の移動に追従して移動し、前記高密度エネルギビームの切断加工進行方向に対して前記ビーム照射部の後側からアシストガスを供給することを特徴とする請求項4または5記載の孔付き管の製造装置。
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