JP2006263748A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ加工ヘッドのレーザ照射口前方に配置した保護部材に対する頻繁な清掃や交換を必要とすることなく、保護部材の破損を防止する。
【解決手段】 第２のミラー１５で反射して水平方向に進行するレーザ光Ｌの前方に、円筒形状の保護ガラス２１を配置する。保護ガラス２１は、その上端を支持部材２３を介して固定してあり、第２のミラー１５を含む集光ヘッド７が回転する際に回転しない。保護ガラス２１の外側には、レーザ光Ｌが通過するレーザ光通過口２７ａを備える保護ガラスカバー２７を設け、保護ガラスカバー２７は、第２のミラー１５と一体であり、集光ヘッド７の回転に伴い回転する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドを円筒内に挿入しつつ相対回転させながら、円筒内面にレーザ光を照射するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

円筒内面として例えばエンジンのシリンダボア内面に対し、耐摩耗性を向上させるために、レーザ光を用いて焼き入れを行う場合がある（下記特許文献１参照）。

また、シリンダボア内面に対し、焼き付き防止のために、レーザ光を用いて油溜まり用の微細な窪みを形成する場合もある。
特開平８−１５７９６７号公報

ところで、上記したようにレーザ光により焼き入れや、微細な窪みを形成する加工を行う際には、加工点からヒュームやスパッタが発生して飛散し、これらの飛散物がレーザ加工ヘッドのレーザ照射口に設けた保護ガラスに付着する。

保護ガラスは、レーザ照射口に固定されていてレーザ加工ヘッドと一体となって回転するので、前記した飛散物は、保護ガラスの同じ位置に付着して徐々に堆積することになり、付着部位が高温化して保護ガラスが割れたり、溶損するなどして破損を招く。

このような不具合を防止するために、保護ガラスに対する頻繁な清掃や交換が必要となり、作業効率の低下を招く。

そこで、本発明は、レーザ加工ヘッドのレーザ照射口前方に配置した保護部材に対する頻繁な清掃や交換を必要とすることなく、保護部材の破損を防止することを目的としている。

本発明は、レーザ加工ヘッドを円筒内に挿入しつつ相対回転させながら、円筒内面にレーザ光を照射するレーザ加工装置において、前記レーザ加工ヘッドのレーザ照射方向前方を含む前記レーザ加工ヘッドの周囲を囲むように円筒形状の保護部材を設け、この保護部材は、前記レーザ光を透過するとともに、前記レーザ加工ヘッドに対し、前記円筒内面とともに相対回転することを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、レーザ光を透過する円筒形状の保護部材が、レーザ加工ヘッドに対し、円筒内面とともに相対回転するので、円筒内面の加工点から発生するヒュームやスパッタが保護部材の常に同じ位置に付着するのを防止して、付着部位が高温化して保護部材が破損するのを防止でき、この結果保護部材に対する頻繁な清掃や交換が不要となり、作業効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示すレーザ加工装置の全体構成図である。このレーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器３と、レーザ発振器３から発振したレーザ光Ｌを集光する集光レンズ５を有するレーザ加工ヘッドとしての集光ヘッド７と、集光ヘッド７を円筒内面としてのシリンダブロック９のシリンダボア内面９ａに対して相対的に移動および回転させる移動機構１１とをそれぞれ備えている。

上記したレーザ加工装置１のレーザ発振器３は、シリンダボア内面９ａに対し焼き入れ用として使用する場合は、波長９４０ｎｍ〜９６０ｎｍ、平均出力２．５ｋＷの連続波を、加工速度２．５ｍ／ｍｉｎで照射する。一方、シリンダボア内面９ａに対し油溜まり用の微細な窪みを形成する場合は、波長１．０６μｍ、平均出力４０Ｗ、繰り返し数３５ＫＨｚのパルス波を、加工速度１５ｍ／ｍｉｎで照射する。

このようなレーザ光Ｌをレーザ発振器３から発振させ、第１のミラー１３で反射させて集光ヘッド７内へと導く。

集光ヘッド７は、シリンダブロック１のシリンダボア径よりも小さな直径を有してほぼ円筒体であり、内部には前記した集光レズ５と、集光レンズ５で集光したレーザ光Ｌをシリンダボア内面９ａに向けて反射させる第２のミラー１５と、をそれぞれ設けている。

この集光ヘッド７は、前記した移動機構１１に支持されている。移動機構１１は、制御装置１９に接続し、制御装置１９の制御指令に基づいて、移動機構１１の図示しないアクチュエータが駆動することで、集光ヘッド７をＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させるとともに、Ｚ軸（図１中で上下方向の軸）を中心として回転させる。

そして、上記した集光ヘッド７は、図２に拡大して示すように、第２のミラー１５の周囲を囲むように、言い換えればレーザ加工ヘッドのレーザ照射方向前方を含むレーザ加工ヘッドの周囲を囲むように、円筒形状の保護部材としての透明の保護ガラス２１を配置している。保護ガラス２１は、レーザ光Ｌを透過可能であり、その上端を支持部材２３の下端に固定し、支持部材２３の上端を水平方向に延びる上部移動機構２５の一端に連結する。上部移動機構２５の他端は、図１に示すように前記した制御装置１９に接続する。

ここで、上部移動機構２５は、前記した移動機構１１と同期して、制御装置１９の制御指令に基づいて、上部移動機構２５の図示しないアクチュエータが駆動することで、支持部材２３を保護ガラス２１とともにＸ−Ｙ−Ｚ軸方向に移動させるが、支持部材２３をＺ軸（図１中で上下方向の軸）を中心として回転させることはない。

つまり、保護ガラス２１は、集光ヘッド７がＺ軸を中心に回転してレーザ加工を行う際に回転せず、したがってレーザ加工ヘッドに対し、円筒内面とともに相対回転することになる。

集光ヘッド７は、保護ガラス２１のさらに外周側に、外側保護部材としての円筒形状の保護ガラスカバー２７を備えている。保護ガラスカバー２７は、レーザ光Ｌが通過するレーザ光通過口２７ａを備えており、その上端をヘッドハウジング２９の下端に固定し、ヘッドハウジング２９の上端を前記した移動機構１１に連結する。したがって、保護ガラスカバー２７は、集光ヘッド７に一体化した状態であって、集光ヘッド７の回転に伴い回転し、この回転時にレーザ光Ｌがレーザ光通過口２７ａを通過してシリンダボア内面９ａに照射される。

保護ガラス２１と保護ガラスカバー２７との間には、円筒形状のガス流路３１を設けている。このガス流路３１は、保護ガラスカバー２７の下端に設けた円板形状の底板３３で下部を閉塞し、保護ガラスカバー２７の上端外周付近に設けた環状の上板３５で上部を閉塞している。

底板３３上にはミラー支持台３６を設け、ミラー支持台３６の傾斜面に前記した第２のミラー１５を固定する。

上板３５の一部位には、図２のＡ−Ａ断面図である図３に示すように、ガス導入口３５ａを設け、ガス導入口３５ａは、支持部材２３とヘッドハウジング２９との間に形成したガス導入通路３７の下端に連通する。ガス導入通路３７の上端は、図示しないシールドガス供給装置に接続し、このシールドガス供給装置からガス導入通路３７にシールドガスを供給する。

ガス導入口３５ａの図３中で右下部分に対応する保護ガラス２１と保護ガラスカバー２７との間には、ガス流路３１を円周方向に対して閉塞する仕切り板３９を設けている。このため、ガス導入口３５ａからガス流路３１に流入したシールドガスは、円筒形状のガス流路３１を図３中で左回りに円周方向に沿って流れ、仕切り板３９のガス導入口３５ａと反対側から、保護ガラスカバー２７のレーザ光通過口２７ａに向けて流出する。

上記した構成のレーザ加工装置において、レーザ発振器３から発振したレーザ光Ｌは、第１のミラー１３で反射した後、集光ヘッド７内に侵入し、集光レンズ５を経て第２のミラー１５で反射し、水平方向前方に進行する。水平方向前方に進行したレーザ光Ｌは、保護ガラス２１を透過した後、さらに前方の保護ガラスカバー２７に設けたレーザ光通過口２７ａを通って外部へ放射される。

この際、集光ヘッド７をシリンダボア内に挿入しつつ、前記したＺ軸を中心として図３中の矢印Ｂで示す右回りに回転させ、かつ図示しないシールドガス供給装置からガス導入通路３７を通してガス流路３１にシールドガスを供給する。ガス流路３１にガス導入口３５ａから流入したシールドガスは、集光ヘッド７の回転方向とは逆の図３中で左回りに流れ、ガス流出口３１ａからレーザ光通過口２７ａを経て集光ヘッド７の回転方向後方に向けて流出する。

上記のようにしてレーザ光通過口２７ａを通って外部へ進行するレーザ光Ｌを、シリンダブロック９のシリンダボア内面９ａに照射し、例えば焼き入れを行うことでシリンダボア内面９ａに、図４（ａ）に示すように螺旋状の硬化層４３を形成して耐摩耗性を向上させたり、あるいは図４（ｂ）に示すように油溜まり用の微細な窪み４５を多数形成してシリンダボア内面９ａの焼き付き防止を図る。

ここで、集光ヘッド７の回転時には、ヘッドハウジング２９と、その下端に設けた保護ガラスカバー２７と、保護ガラスカバー２７と一体の第２のミラー１５とが互いに一体となって回転するが、保護ガラスカバー２７の内側に配置してある保護ガラス２１は支持部材２３に支持された状態で回転しない。なお、集光レンズ５は、図示しない支持具を介して支持部材２３に外周縁を固定している。

このため、レーザ光Ｌは保護ガラス２１に対して円周方向に移動しながら加工を行うことになり、したがってレーザ加工時に加工点から発生するヒュームやスパッタなどの飛散物が、保護ガラスカバー２７のレーザ光通過口２７ａを通って保護ガラス２１に向けて飛散しても、これら飛散物が保護ガラス２１の常に同一位置に付着することがなくなる。

この結果、保護ガラス２１の飛散物付着部位が高温化して割れたり、あるいは溶損するなどして破損することを防止でき、保護ガラス２１に対する頻繁な清掃や交換が不要となり、作業効率が向上する。

図５は、従来の保護ガラスをレーザ加工ヘッドとともに回転させる構成での保護ガラスへの飛散物の付着量（堆積量）を示しており、レーザ加工時の時間経過とともに付着量が増大し、時間ｔにて保護ガラスが破損に至る。

これに対して本実施形態では、飛散物が発生する加工点に対して保護ガラス２１が相対移動するので、保護ガラス２１への飛散物の堆積量が極めて少なくなり、上述したように保護ガラス２１に対する頻繁な清掃や交換が不要となる。

また、保護ガラス２１の外周側に二重構造として設けている保護ガラスカバー２７により、レーザ光Ｌの照射部位付近以外の保護ガラス２１への前記した飛散物の付着を防止することができる。

さらに、上記二重構造とした保護ガラス２１と保護ガラスカバー２７との間のガス流路３１にシールドガスを流すことで、保護ガラス２１と保護ガラスカバー２７との間への前記した飛散物の侵入を防止でき、保護ガラス２１への飛散物の付着を確実に防止することができる。

また、ガス流路３１に流入したシールドガスは、ガス流路３１の円周方向に沿ってそのほぼ全周に流すことで整流されるので、ガス流出口３１ａからは大きく広がることのない高速の噴出流となり、ガス流路３１内への前記した飛散物の侵入を防止する。

このとき、ガス流出口３１ａから噴出するシールドガスは、集光ヘッド７の回転方向後方に指向しているので、噴出流によって吹き飛ばした飛散物は、上記回転方向後方に流れ、ガス流路３１内への流入を防止することができる。また、ガス流出口３１ａから噴出するシールドガスにより、加工部への飛散物の付着を防止することもできる。

本発明の一実施形態を示すレーザ加工装置の全体構成図である。 図１のレーザ加工装置の集光ヘッド部分を拡大して示す断面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は図１のレーザ加工装置により焼き入れ加工を行った状態のシリンダボア内面を示す断面図、（ｂ）は図１のレーザ加工装置により微細な窪みを形成した状態のシリンダボア内面を示す斜視図である。 従来の保護ガラスをレーザ加工ヘッドとともに回転させる構成での保護ガラスへの飛散物の付着量（堆積量）を時間経過とともに示す説明図である。

符号の説明

７ 集光ヘッド（レーザ加工ヘッド）
９ａ シリンダボア内面（円筒内面）
２１ 保護ガラス（保護部材）
２７ 保護ガラスカバー（外側保護部材）
２７ａ レーザ光通過口
３１ ガス流路
３１ａ ガス流出口
３５ａ ガス導入口
Ｌ レーザ光

Claims (6)

1. レーザ加工ヘッドを円筒内に挿入しつつ相対回転させながら、円筒内面にレーザ光を照射するレーザ加工装置において、前記レーザ加工ヘッドのレーザ照射方向前方を含む前記レーザ加工ヘッドの周囲を囲むように円筒形状の保護部材を設け、この保護部材は、前記レーザ光を透過するとともに、前記レーザ加工ヘッドに対し、前記円筒内面とともに相対回転することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記保護部材の外周側に、前記レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光が通過するレーザ光通過口を備えた円筒形状の外側保護部材を設け、この外側保護部材は、前記レーザ加工ヘッドとともに前記円筒内面および前記保護部材に対して相対回転することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記保護部材と前記外側保護部材との間に、外部からシールドガスを供給するガス流路を設けたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ガス流路は、その一部位に設けたガス導入口と、このガス導入口から導入した前記シールドガスを前記ガス流路の円周方向に沿って流してから外部に流出するガス流出口とをそれぞれ備えていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ガス流出口から流出するシールドガスは、前記レーザ加工ヘッドの前記円筒内面に対する相対回転方向後方に指向していることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. レーザ加工ヘッドを円筒内に挿入しつつ相対回転させながら、円筒内面にレーザ光を照射するレーザ加工方法において、前記レーザ加工ヘッドのレーザ照射方向前方を含む前記レーザ加工ヘッドの周囲を囲むように円筒形状の保護部材を設け、この保護部材を、前記レーザ加工ヘッドに対し、前記円筒内面とともに相対回転させつつ、前記レーザ光を前記保護部材に透過させて前記円筒内面に照射することを特徴とするレーザ加工方法。

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