JP2006281308A - Laser apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス媒体を励起してレーザ出力を得るレーザ発振器、あるいはこのようなレーザ発振器からのレーザ出力によってレーザ切断、レーザ溶接などのレーザ加工を行うレーザ加工機を含むレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device including a laser oscillator that excites a gas medium to obtain a laser output, or a laser processing machine that performs laser processing such as laser cutting and laser welding by laser output from such a laser oscillator.
一般に使用されているレーザ装置は、レーザを出力するレーザ発振器と、出力されたレーザを集光する集光レンズとを備えている。出力されたレーザは集光レンズによってワーク上に集光され、それにより、ワークをレーザ切断またはレーザ溶接等するようになっている。このようなレーザ装置においては、導光路がレーザ発振器と集光レンズとを接続するよう配置されており、レーザ発振器から出力されたレーザは導光路内を伝播して集光レンズに到達する。 Generally used laser devices include a laser oscillator that outputs a laser and a condenser lens that condenses the output laser. The output laser is condensed on the work by the condensing lens, whereby the work is subjected to laser cutting or laser welding. In such a laser device, the light guide is disposed so as to connect the laser oscillator and the condenser lens, and the laser output from the laser oscillator propagates through the light guide and reaches the condenser lens.
通常は空気が導光路に存在している。このような場合には、空気中の炭酸ガス、つまり炭酸ガス、水蒸気、および/または有機ガス等に基づいてレーザビームが吸収散乱し、レーザビームの伝播変化が生じる。従って、レーザのレーザビーム径は伝播距離に応じて拡大するようになる。これにより、導光路内におけるレーザビームの干渉が大きくなってレーザビームの品質が低下する。このような場合には、集光レンズによってワーク上に集光されるレーザのパワーも低下するので、ワークが加工不良となることが多い。 Usually air is present in the light guide. In such a case, the laser beam is absorbed and scattered on the basis of carbon dioxide in the air, that is, carbon dioxide, water vapor, and / or organic gas, and a propagation change of the laser beam occurs. Accordingly, the laser beam diameter of the laser expands according to the propagation distance. Thereby, the interference of the laser beam in the light guide is increased, and the quality of the laser beam is lowered. In such a case, the power of the laser beam focused on the workpiece by the condenser lens also decreases, so that the workpiece often becomes defective in processing.
レーザのパワー低下によってワークが加工不良となるのを防止するために、導光路内に窒素ガスを供給することが行われている。また、特許文献1においては、分子フィルタを備えた炭酸ガス濃度低減装置を使用して空気中の炭酸ガス濃度を所定の濃度まで低減した空気を導光路内に供給している。
Nitrogen gas is supplied into the light guide path in order to prevent the workpiece from becoming defective due to the laser power reduction. Moreover, in
窒素ガスを導光路に供給する場合には、導光路内の空気が窒素ガスにより置換されるので、レーザビームの吸収散乱を引き起こす炭酸ガス、水蒸気および/または有機ガス等が導光路内に存在しなくなる。一方、特許文献1の場合においても、炭酸ガス濃度の低い空気でもって導光路内の空気を置換しているので、レーザビームの吸収散乱を引き起こす炭酸ガスが少なくなる。従って、これらの場合においては、レーザビームの伝播変化は生じないかまたはほとんど生じず、その結果、ワーク上に集光されるレーザのパワーも維持されるので、ワークを良好に加工することが可能となる。
しかしながら、窒素ガスを導光路に供給する場合には、レーザ装置の使用時に窒素を供給し続ける必要があるので、ランニングコストが極めて高価になるという問題がある。また、特許文献1の場合においては、窒素ガスを使用しない分だけランニングコストを抑えることが可能であるものの、分子フィルタを備えた炭酸ガス濃度低減装置の設置にかなりのコストを要する。しかも、この炭酸ガス濃度低減装置はレーザ装置を使用しない場合であっても常時通電する必要がある。このため、特許文献1の場合に必要とされる全体的なコストは、窒素ガスを導光路に供給する場合と比較して、それほど少なくなるわけではない。
However, when nitrogen gas is supplied to the light guide path, it is necessary to continue supplying nitrogen when the laser apparatus is used, so that there is a problem that the running cost becomes extremely expensive. In the case of
特に近年においては、ワークの寸法の増大、導光路が複雑な構造である三次元加工機の需要の増大、およびレーザビームの品質向上などを目的として、導光路が長くなる傾向にあるので、レーザビームの吸収散乱が生じる可能性も増す傾向にある。それゆえ、このようなレーザビームの吸収散乱が生じないように、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持することが望まれている。 In particular, in recent years, there is a tendency for the light guide path to become longer for the purpose of increasing the dimensions of the workpiece, increasing the demand for three-dimensional processing machines having a complicated structure of the light guide path, and improving the quality of the laser beam. There is also a tendency to increase the possibility of absorption and scattering of the beam. Therefore, it is desired to maintain a good beam atmosphere in the light guide so that such absorption and scattering of the laser beam does not occur.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することのできるレーザ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser apparatus that can favorably maintain the beam atmosphere in the light guide path at low cost.
前述した目的を達成するために1番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系、例えば集光レンズと、前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、該導光路内の空気を除湿する除湿手段とを具備するレーザ装置が提供される。 In order to achieve the above-described object, according to a first invention, a laser oscillator, a condensing optical system for condensing a laser output from the laser oscillator, for example, a condensing lens, and the laser from the laser oscillator There is provided a laser device comprising: a light guide that guides the light to the light collecting optical system; and a dehumidifying means that dehumidifies the air in the light guide.
2番目の発明によれば、レーザ発振器と、該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系、例えば集光レンズと、前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、空気を除湿する除湿手段と、前記除湿手段によって除湿された除湿空気を前記導光路まで供給する供給手段とを具備するレーザ装置が提供される。 According to the second aspect of the invention, a laser oscillator, a condensing optical system that condenses the laser output from the laser oscillator, for example, a condensing lens, and the laser from the laser oscillator is guided to the condensing optical system. There is provided a laser apparatus comprising a light guide path, a dehumidifying means for dehumidifying air, and a supply means for supplying dehumidified air dehumidified by the dehumidifying means to the light guide path.
すなわち1番目および2番目の発明においては、導光路内の空気が除湿されるので、空気中の水蒸気濃度が低減する。このため、水蒸気の存在に基づくレーザビームの吸収散乱作用が少なくなるので、レーザビームの伝播変化も生じなくなる。従って、レーザビームの品質が低下することはなく、ワークが加工不良となることも防止できる。除湿手段自体は安価であり、常時通電する必要も無いので、1番目および2番目の発明においては、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。 That is, in the first and second inventions, since the air in the light guide path is dehumidified, the water vapor concentration in the air is reduced. For this reason, the absorption / scattering action of the laser beam based on the presence of water vapor is reduced, so that the propagation change of the laser beam does not occur. Therefore, the quality of the laser beam does not deteriorate, and it is possible to prevent the workpiece from being defective in processing. Since the dehumidifying means itself is inexpensive and does not need to be energized all the time, in the first and second inventions, it is possible to maintain the beam atmosphere in the light guide well at a low cost.
3番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離が所定の値よりも大きい場合には、複数の除湿手段を含むようにした。
すなわち3番目の発明においては、レーザ発振器と集光光学系との間の距離に相当する導光路の長さが所定の長さ、例えば10mよりも大きい場合には、複数の除湿手段および/または複数の供給手段によって、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路まで供給することができる。例えば導光路の長さが10mよりも大きい場合には、全導光路容積の60倍以上の除湿空気を導光路に供給するのが好ましい。
According to the third invention, in the first or second invention, when the distance between the laser oscillator and the condensing optical system is larger than a predetermined value, a plurality of dehumidifying means are included. did.
That is, in the third invention, when the length of the light guide corresponding to the distance between the laser oscillator and the condensing optical system is larger than a predetermined length, for example, 10 m, a plurality of dehumidifying means and / or A plurality of supply means can supply a sufficient amount of dehumidified air to the light guide path so that the propagation change of the laser beam does not occur. For example, when the length of the light guide is longer than 10 m, it is preferable to supply
4番目の発明によれば、1番目から3番目のいずれかの発明において、前記除湿手段により除湿された除湿空気の大気圧露点が0℃以下であるようにした。
除湿空気の大気圧露点、つまり大気圧中で、空気に含まれる水蒸気が冷却されて水滴になるときの温度が0℃より大きい場合には、レーザビームの吸収散乱が大きくなり、良好なレーザビーム伝播を維持できないことが分かっている。従って、4番目の発明においては、除湿空気の大気圧露点を0℃以下とし、それにより、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持するようにしている。それゆえ、高温多湿の地域において本発明のレーザ装置を使用することは特に有利である。
According to the fourth invention, in any one of the first to third inventions, the atmospheric pressure dew point of the dehumidified air dehumidified by the dehumidifying means is 0 ° C. or less.
When the dew point of dehumidified air, that is, the temperature at which the water vapor contained in the air is cooled to form water droplets at atmospheric pressure is greater than 0 ° C., the absorption and scattering of the laser beam increases, and a good laser beam It is known that propagation cannot be maintained. Accordingly, in the fourth aspect of the invention, the atmospheric pressure dew point of the dehumidified air is set to 0 ° C. or less, so that the beam atmosphere in the light guide is well maintained. Therefore, it is particularly advantageous to use the laser device of the present invention in a hot and humid area.
5番目の発明によれば、2番目から4番目のいずれかの発明において、さらに、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記空気源からの前記空気のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
炭酸ガス濃度の低い空気を導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、5番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて炭酸ガス濃度の低い空気を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、炭酸ガス濃度の低い空気のみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。
According to a fifth invention, in any one of the second to fourth inventions, the apparatus further comprises switching means provided in the supply means, and an air source connected to the switching means. The carbon dioxide concentration in the air is reduced to a predetermined carbon dioxide concentration, and the switching means passes either the dehumidified air from the dehumidifying means or the air from the air source through the supply means. The light guide was supplied.
When air having a low carbon dioxide gas concentration is supplied to the light guide, it is possible to suppress the propagation change of the laser beam compared to the case where dehumidified air is supplied to the light guide. Accordingly, in the fifth aspect of the present invention, when the dehumidified air alone is not sufficient to eliminate the propagation change of the laser beam in the light guide, the laser beam is supplied by using the switching valve to supply the low carbon dioxide concentration air. It is possible to suppress the occurrence of change in propagation of the workpiece and prevent the workpiece from being defective. Therefore, it is possible to reduce the running cost of the laser device as compared with the case where only air with a low carbon dioxide gas concentration is used.
6番目の発明によれば、2番目から4番目のいずれかの発明において、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された窒素源とを具備し、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記窒素源からの窒素のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
窒素ガスを導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、6番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて窒素ガスを導光路を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。
According to a sixth invention, in any one of the second to fourth inventions, the switching means provided in the supply means, and a nitrogen source connected to the switching means, the switching means, Either dehumidified air from the dehumidifying means or nitrogen from the nitrogen source is supplied to the light guide through the supply means.
When nitrogen gas is supplied to the light guide, it is possible to suppress the propagation change of the laser beam compared to the case where dehumidified air is supplied to the light guide. Accordingly, in the sixth aspect of the invention, when the dehumidified air alone is not sufficient to eliminate the propagation change of the laser beam in the light guide, nitrogen gas is supplied to the light guide using the switching valve, thereby The occurrence of changes in propagation can be suppressed, and the workpiece can be prevented from becoming defective. Therefore, it is possible to reduce the running cost of the laser device as compared with the case where only nitrogen gas is used.
7番目の発明によれば、2番目から4番目のいずれかの発明において、前記供給手段に設けられた切換手段と、該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、さらに、前記切換手段に接続された窒素源を具備し、前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気、前記空気源からの空気または前記窒素源からの窒素のいずれかを前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした。
炭酸ガス濃度の低い空気または窒素ガスを導光路に供給した場合には、除湿空気を導光路に供給する場合よりもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができる。従って、7番目の発明においては、除湿空気だけでは導光路におけるレーザビームの伝播変化を解消するのに十分でない場合に、切換弁を用いて炭酸ガス濃度の低い空気または窒素ガスを導光路を供給することにより、レーザビームの伝播変化の発生を抑え、ワークが加工不良となることを防止できる。それゆえ、炭酸ガス濃度の低い空気および/または窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることが可能となる。なお、除湿空気の供給によってレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができない場合には炭酸ガス濃度の低い空気を導光路に供給するようにし、このような空気の供給によってもレーザビームの伝播変化の発生を抑えることができない場合に窒素ガスを導光路に供給するのが好ましい。
According to a seventh invention, in any one of the second to fourth inventions, it comprises switching means provided in the supply means, and an air source connected to the switching means, and the air in the air source The carbon dioxide gas concentration is reduced to a predetermined carbon dioxide gas concentration, further comprising a nitrogen source connected to the switching means, wherein the switching means includes dehumidified air from the dehumidifying means and air from the air source. Alternatively, any nitrogen from the nitrogen source is supplied to the light guide through the supply means.
When air or nitrogen gas having a low carbon dioxide gas concentration is supplied to the light guide, it is possible to suppress the occurrence of changes in the propagation of the laser beam, compared to when dehumidified air is supplied to the light guide. Therefore, in the seventh aspect, when the dehumidified air alone is not sufficient to eliminate the propagation change of the laser beam in the light guide, air or nitrogen gas having a low carbon dioxide concentration is supplied to the light guide using the switching valve. By doing so, it is possible to suppress the change in propagation of the laser beam and prevent the workpiece from being defectively processed. Therefore, the running cost of the laser device can be reduced as compared with the case where only air and / or nitrogen gas having a low carbon dioxide concentration is used. If the generation of laser beam propagation changes cannot be suppressed by supplying dehumidified air, low CO2 concentration air is supplied to the light guide. It is preferable to supply nitrogen gas to the light guide when it is not possible to suppress the occurrence of this.
8番目の発明によれば、5番目から7番目のいずれかの発明において、前記切換手段の切換作用は、前記レーザ発振器と前記集光光学系との間の距離に応じて定まるようにした。
9番目の発明によれば、5番目から7番目のいずれかの発明において、前記集光光学系により集光されたレーザは被加工物を加工するようになっており、前記切換手段の切換作用は、前記被加工物の寸法に応じて定まるようにした。
すなわち8番目および9番目の発明においては、比較的簡単な構成によって、除湿空気および炭酸ガス濃度の少ない空気ならびに窒素ガスのいずれを使用するかを効率的に選択することができる。
According to the eighth invention, in any one of the fifth to seventh inventions, the switching action of the switching means is determined according to the distance between the laser oscillator and the condensing optical system.
According to a ninth invention, in any one of the fifth to seventh inventions, the laser beam condensed by the condensing optical system processes a workpiece, and the switching action of the switching means. Was determined according to the dimensions of the workpiece.
That is, in the eighth and ninth inventions, it is possible to efficiently select whether to use dehumidified air, air with a low carbon dioxide concentration, or nitrogen gas with a relatively simple configuration.
各発明によれば、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となるという共通の効果を奏しうる。 According to each invention, the common effect that the beam atmosphere in the light guide path can be satisfactorily maintained at low cost can be obtained.
さらに、3番目の発明によれば、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路まで供給することができるという効果を奏しうる。
さらに、4番目の発明によれば、除湿空気の大気圧露点を0℃以下とすることにより、導光路内のビーム雰囲気を良好に維持するという効果を奏しうる。
さらに、5番目の発明によれば、炭酸ガス濃度の低い空気のみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、6番目の発明によれば、窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、7番目の発明によれば、炭酸ガス濃度の低い空気および/または窒素ガスのみを使用する場合と比較して、レーザ装置のランニングコストを抑えることができるという効果を奏しうる。
さらに、8番目または9番目の発明によれば、比較的簡単な構成によって、導光路雰囲気を効率的に選択することができるという効果を奏しうる。
Further, according to the third aspect of the invention, it is possible to provide an effect that a sufficient amount of dehumidified air can be supplied to the light guide path so that the propagation change of the laser beam does not occur.
Furthermore, according to the fourth aspect of the invention, by setting the atmospheric pressure dew point of the dehumidified air to 0 ° C. or less, an effect of maintaining a good beam atmosphere in the light guide path can be achieved.
Furthermore, according to the fifth aspect, the running cost of the laser device can be reduced as compared with the case where only air with a low carbon dioxide gas concentration is used.
Furthermore, according to the sixth aspect, the running cost of the laser device can be reduced as compared with the case where only nitrogen gas is used.
Furthermore, according to the seventh aspect, the running cost of the laser device can be reduced as compared with the case where only air and / or nitrogen gas having a low carbon dioxide concentration is used.
Furthermore, according to the eighth or ninth invention, it is possible to effectively select the light guide path atmosphere with a relatively simple configuration.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図1は、本発明に基づくレーザ装置の略図である。本発明に基づくレーザ装置100は主に金属加工用に用いられ、レーザ発振器2とレーザ加工機11とを含んでいる。図1に示されるように、これらレーザ発振器2とレーザ加工機11とは制御装置1を介して互いに電気的に接続されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the following drawings, the same members are denoted by the same reference numerals. In order to facilitate understanding, the scales of these drawings are appropriately changed.
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser device according to the present invention. A
レーザ発振器2は誘導放電励起型である比較的高出力のレーザガス発振器、例えば炭酸ガスレーザである。レーザ発振器2はレーザガス圧制御システム18に接続された放電管9を含んでいる。レーザガス圧制御システム18は、レーザ発振器2に形成されたレーザガス供給口17およびレーザガス排出口19を介して放電管9へのレーザガスの供給および放電管9からのレーザガスの排出を行うことができる。放電管9の一端には部分透過性を有しないリア鏡6(共振器内部ミラー)が設けられており、放電管9の他端には部分透過性を有する出力鏡8が設けられている。出力鏡8はZnSeから形成されており、出力鏡8の内面は部分反射コーティングされると共に出力鏡8の外面は全反射コーティングされている。リア鏡6の背面にはレーザパワーセンサ5が配置されている。図示されるように、リア鏡6および出力鏡8の間における放電管9の光共振空間内には二つの放電セクション29a、29bが設けられている。
The
各放電セクション29a、29bは放電管9を挟むように配置された一対の放電電極7a、7bをそれぞれ含んでいる。これら放電電極7a、7bは同一寸法であって、誘電体コーティングが施されているものとする。図1に示されるように放電電極7aはマッチング回路3を介してレーザ電源4に接続されている。なお、放電電極7bも同様のマッチング回路を介してレーザ電源に接続されているが、理解を容易にするためにこれらは図示しない。これらレーザ電源はそれぞれ独立して制御され、対応する各放電セクション29a、29bに供給する電力を自由に調整することができる。
Each
さらに、図示されるように放電管9には送風機14が配置され、送風機の上流および下流には熱交換器12、12'がそれぞれ配置されている。さらに、レーザ発振器2は冷却水循環システム22に接続されており、放電管9内のレーザガスなどが適宜冷却されるようになっている。
Further, as shown in the figure, a
なお、図1においては高速軸流型のレーザ発振器2が示されているが、レーザ発振器2が他の形態のレーザ発振器、例えば3軸直交型発振器もしくは熱拡散冷却によるガススラブレーザであってもよい。
In FIG. 1, a high-speed axial flow
レーザ加工機11は、レーザ発振器2の出力鏡8から出力されたレーザがこのレーザ加工機11の内部に入射できるように配置されている。レーザ加工機11は入射されたレーザを反射する反射鏡10を含んでいる。図示されるように、反射鏡10により反射されたレーザは集光レンズ13および加工ヘッド16を通って加工テーブル21上の加工ワーク20に照射されるようになっている。ここで、ZnSeから形成される集光レンズ13の両面は全反射コーティングされている。なお、図面には示さないものの、集光レンズ13の代わりにパラボラミラーを採用してもよい。
The
また、加工ワーク20は加工テーブル21の位置を水平方向に変更することにより所定の場所に位置決めされる。さらに、図1に示されるようにレーザ加工機11にはアシストガス供給システム15が設けられている。レーザ加工機11外部に設置されたアシストガス源(図示しない)からのアシストガスはアシストガス供給システム15によって加工ヘッド16の所望の位置まで供給される。
Further, the
ところで、図1に示されるように、導光路30がレーザ発振器2とレーザ加工機11との間に配置されている。より正確には、導光路30はレーザ発振器2の出力鏡8とレーザ加工機11の集光レンズ13とを接続する中空の管路である。図示されるように、導光路30は出力鏡8から出力されるレーザの中心線Cに対して同軸に配置されており、レーザを反射する反射鏡10を包含している。
Incidentally, as shown in FIG. 1, the
また、本発明の第一の実施形態においては、レーザ装置100は、導光路30の側面に形成された開口部32に供給通路31によって接続された除湿器40を含んでいる。図1に示される実施形態においては、供給通路31およびこれに関連する開口部32はレーザ発振器2とレーザ加工機11との間のほぼ中心に位置決めされている。この除湿器40は、外部から吸入した空気を内部冷却器に接触させることにより空気中の水蒸気を水滴状にし、次いで水蒸気が少なくされた除湿空気を排出するようになっている。当然のことながら、空気中の水蒸気を除去することのできる他の機構を備えた除湿器40を採用するようにしてもよい。図1においては、制御装置1によって制御される除湿器40は外部から吸入した空気を除湿して供給通路31に排出するようになっている。
In the first embodiment of the present invention, the
図2は制御装置の詳細図である。レーザ発振器2とレーザ加工機11とを電気的に接続する制御装置1は、図2に示されるようにディジタルコンピュータからなり、双方向性バス106によって相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)およびRAM(ランダムアクセスメモリ)を含む記憶部105と、CPU(マイクロプロセッサ)などの処理部104と、入力ポートとしての入力部102および出力ポートとしての出力部103とを具備している。これら入力部102および出力部103はレーザ発振器2、レーザ加工機11、除湿器40および後述する空気源50、窒素源60の所定の構成要素に適切に接続されているものとする。
FIG. 2 is a detailed view of the control device. The
レーザ装置100の動作時には、レーザガス圧制御システム18によってレーザガスがレーザガス供給口17を通って放電管9内に供給される。次いで、送風機14によってレーザガスは放電管9からなる循環路を循環する。図1において矢印により示されるように、送風機14から送り出されたレーザガスは圧縮熱を除去するための熱交換器12'を通過して各放電セクション29a、29bに供給される。
During the operation of the
放電セクション29a、29bにおいて放電電極7a、7bにより、所定の電圧、例えば数百kHzから数十MHzの交流電圧を印加すると、放電作用によりレーザガスが励起され、それにより、レーザが発生する。周知の原理により、レーザは光共振空間で増幅され、出力鏡8を通じて出力レーザが取り出される。放電作用により高温となったレーザガスは熱交換器12によって冷却され、送風機14に再び戻る。なお、このときには冷却水循環システム22が作動して、放電管9内のレーザガスなどが適宜冷却されるものとする。
When a predetermined voltage, for example, an alternating voltage of several hundred kHz to several tens of MHz is applied by the
出力鏡8から取り出されたレーザは図示されるようにレーザ発振器2から導光路30を通ってレーザ加工機11に供給される。レーザ加工機11においては、レーザは導光路30内に配置された反射鏡10により適切に反射される。反射されたレーザは集光レンズ13により集光されて、加工ヘッド16を通じて加工ワーク20に照射される。これにより、加工テーブル21上の加工ワーク20を加工、例えば切断または溶接することが可能となる。
The laser extracted from the output mirror 8 is supplied from the
本発明においては、レーザ発振器2からのレーザ出力時には、制御装置1を通じて除湿器40が起動される。これにより、除湿器40によって形成された除湿空気が矢印で示されるように供給通路31を通って開口部32から導光路30内に流入する。この除湿空気はレーザ発振器2の起動前から導光路30内に存在していた空気を掃気する。従って、除湿器40を起動してから所定の時間が経過すると、導光路30内の空気は除湿空気に置換されるようになる。従って、レーザ発振器2から出力されたレーザは水蒸気が少なくされた除湿空気中を伝播するようになる。
In the present invention, the
ところで、図3は導光路内雰囲気とレーザビーム径との関係を示す図である。図3においては、縦軸は導光路30の集光レンズ13近傍で計測されたレーザのレーザビーム径Dを示している。図3の横軸は導光路30内の雰囲気を示しており、図3の左方から順番に、窒素(乾燥窒素)雰囲気、炭酸ガス(二酸化炭素)濃度が低くされた炭酸ガス濃度低減空気雰囲気、除湿器40により形成される除湿空気雰囲気、通常の空気雰囲気を示している。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the atmosphere in the light guide and the laser beam diameter. In FIG. 3, the vertical axis indicates the laser beam diameter D of the laser measured in the vicinity of the
空気中には炭酸ガス、水蒸気、および/または有機ガス等が存在しているので、レーザが通常の空気中を伝播する場合には、レーザはこれら炭酸ガス等によって吸収散乱され、レーザビーム径Dが拡大するようになる。従って、図3に示されるように、レーザが空気中を伝播する際のレーザビーム径Dは最も大きい。 Since carbon dioxide, water vapor, and / or organic gas, etc. are present in the air, when the laser propagates in normal air, the laser is absorbed and scattered by these carbon dioxide, etc., and the laser beam diameter D Will expand. Therefore, as shown in FIG. 3, the laser beam diameter D when the laser propagates in the air is the largest.
一方、レーザが窒素雰囲気を伝播する場合には、窒素が不活性ガスであると共に炭酸ガス、水蒸気、および/または有機ガス等を含んでいないので、レーザの吸収散乱は最も少なく、従って、窒素雰囲気でのレーザビーム径Dも最も小さくなっている。 On the other hand, when the laser propagates in a nitrogen atmosphere, since the nitrogen is an inert gas and does not contain carbon dioxide, water vapor, and / or organic gas, etc., the absorption and scattering of the laser is the smallest. The laser beam diameter D is also the smallest.
レーザビーム径Dが小さいということは、導光路30におけるレーザビームの吸収散乱が少ないことを意味する。従って、レーザビーム径Dが小さい場合には、レーザビームの品質は低下せず、加工ワーク20におけるレーザのパワーも低下していない。すなわち、レーザビーム径Dが小さい場合には加工ワーク20の加工不良は発生しない。つまり、レーザビーム径Dが比較的小さい場合には導光路30内のビーム雰囲気が良好であるといえる。
The fact that the laser beam diameter D is small means that the absorption and scattering of the laser beam in the
また、レーザが炭酸ガス濃度低減空気雰囲気を伝播する場合には、空気中の炭酸ガスが少なくなっているので、炭酸ガスに基づくレーザの吸収散乱も炭酸ガスの低減に応じて少なくなる。この場合、空気中の水蒸気まで除去されるわけではないので、図3に示されるように炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合にはレーザビーム径Dは窒素雰囲気の場合よりも大きい。 In addition, when the laser propagates in the carbon dioxide concentration-reduced air atmosphere, the amount of carbon dioxide in the air is reduced, so that the absorption and scattering of the laser based on the carbon dioxide gas is also reduced as the carbon dioxide gas is reduced. In this case, since water vapor in the air is not removed, the laser beam diameter D is larger in the case of a carbon dioxide concentration-reduced air atmosphere than in the case of a nitrogen atmosphere, as shown in FIG.
さらに、本発明の第一の実施形態のように除湿器40により形成される除湿空気雰囲気をレーザが伝播する場合には、空気中の水蒸気が少なくなっているので、水蒸気に基づくレーザの吸収散乱も水蒸気の低減に応じて少なくなる。また、この場合、空気中の炭酸ガスまで除去されるわけではないので、除湿空気雰囲気の場合にはレーザビーム径Dは炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合よりも大きい。なお、この場合における除湿空気の大気圧露点、つまり大気圧中で空気に含まれる水蒸気が冷却されて水滴になるときの温度は0℃以下である。
Further, when the laser propagates through the dehumidified air atmosphere formed by the
しかしながら、図3から分かるように、空気雰囲気の場合と比較すると、窒素雰囲気、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気および除湿空気雰囲気の三つの場合のレーザビーム径Dは空気雰囲気の場合のレーザビーム径Dよりも大幅に小さく、またこれら三つの場合の間のレーザビーム径Dの差は極めて小さい。従って、窒素雰囲気、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気および除湿空気雰囲気の三つの場合については、集光レンズ13近傍で得られるレーザビーム径Dは概ね同等であり、加工ワーク20における加工不良の発生も同程度に少ないと判断できる。
However, as can be seen from FIG. 3, the laser beam diameter D in the three cases of the nitrogen atmosphere, the carbon dioxide concentration reduced air atmosphere, and the dehumidified air atmosphere is larger than the laser beam diameter D in the air atmosphere as compared with the case of the air atmosphere. And the difference in the laser beam diameter D between these three cases is extremely small. Therefore, in the three cases of the nitrogen atmosphere, the carbon dioxide concentration-reduced air atmosphere, and the dehumidified air atmosphere, the laser beam diameter D obtained in the vicinity of the
言い換えれば、本発明のように除湿器40からの除湿空気雰囲気でレーザを伝播させる場合であっても、ランニングコストの比較的高い窒素雰囲気および炭酸ガス濃度低減空気雰囲気の場合と同等のレーザビーム径Dおよび加工ワーク20の加工結果が得られる。そして、除湿器40は比較的安価に入手可能であって、レーザ発振器2のレーザ出力時にのみ駆動すれば足りるので常時通電する必要もない。従って、除湿器40を使用して導光路30内に除湿空気雰囲気を形成するのに要するコストは、窒素雰囲気および炭酸ガス濃度低減空気雰囲気を形成するのに要するコストと比較して大幅に少なくなる。つまり、本発明においては、除湿器40により形成された除湿空気を導光路30に供給することによって、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。
In other words, even when the laser is propagated in the dehumidified air atmosphere from the
図1に示される実施形態においては除湿器40は供給通路31を介して導光路30に接続されているが、供給通路31を備えることなしに、除湿器40の一部分が導光路30の開口部32に直接的に設けられるようにしてもよい。この場合には、導光路30内の空気を除湿器40の当該一部分から除湿器40内部に吸入し、除湿器40で除湿した後で、除湿空気を開口部32に通して導光路30に送り返すようにする。つまり、導光路30内の空気を直接的に除湿することにより、導光路30内に除湿空気雰囲気を形成する。このような場合であっても、前述したのと同様な効果が得られるのは明らかである。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
なお、供給通路31およびこれに関連する開口部32はレーザ発振器2の出力鏡8とレーザ加工機11の集光レンズ13との間のほぼ中心に位置決めされるのが好ましい。このような場合には、供給通路31を通じて開口部32から供給された除湿空気が導光路30内に概ね均等に分布し、レーザビームの吸収散乱を導光路30全体に亙って均等に少なくすることができる。
The
ところで、前述したように本発明においては除湿器40により形成される除湿空気の大気圧露点は0℃以下である。反対に、除湿空気の大気圧露点が0℃より大きい場合には、除湿空気内に水蒸気が生じるのでレーザビームの吸収散乱が発生し、レーザビーム径Dが増大するので、良好なビーム雰囲気を形成することができない。特に高温多湿地域においては、導光路30内に存在する空気中の水蒸気も当然に多いので、レーザビームも吸収散乱されやすくなる。これに対し、本発明においては、除湿空気によって導光路30内を置換するので、導光路30内の水蒸気は外部空気中の水蒸気と比較して極めて少なくなる。従って、高温多湿地域において本発明のレーザ装置100を使用するのは特に有利である。
Incidentally, as described above, in the present invention, the atmospheric pressure dew point of the dehumidified air formed by the
図4は本発明の第二の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。図4および後述する図5において図1と同じ符号が付されている部材については、図1を参照して説明したのと同様であるので説明を省略する。第二の実施形態においては、出力鏡8と集光レンズ13とを接続する導光路30は比較的長くなっている。図4においては、導光路30は10mより長いものとする。
FIG. 4 is a schematic view of a laser device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4 and FIG. 5 to be described later, members denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1 are the same as those described with reference to FIG. In the second embodiment, the
第二の実施形態においては、導光路30の側面において、二つの開口部32a、32bが形成されている。除湿空気を導光路30内に均等に分布させるために、二つの開口部32a、32bは出力鏡8と集光レンズ13との間の導光路30全体を概ね三等分する位置に形成されるのが好ましい。そして、それぞれの開口部32a、32bから延びる供給通路31a、31bに、除湿器40a、40bがそれぞれ接続されている。これら除湿器40a、40bは第一の実施形態で示した除湿器40と同様である。
In the second embodiment, two
導光路30が比較的長い場合には導光路30の容積も当然に大きくなるので、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路に供給するのが困難になると共に、単一の除湿器40のみによって導光路30内を除湿空気で置換するのにかなりの時間を要する。図4に示される実施形態においては、複数、例えば二つの除湿器40a、40bの両方から除湿空気を供給しているので、レーザビームの伝播変化が生じなくなるのに十分な量の除湿空気を導光路に供給でき、また導光路30内の空気を短時間で除湿空気により置換できるようになる。本実施形態においては、導光路30全体の容積の60倍以上の除湿空気(単位時間当たり)を導光路30内に供給するのが好ましく、これにより、窒素雰囲気等の場合と同程度のレーザビーム径Dを確保することが可能となる。従って、本実施形態においても、導光路内のビーム雰囲気を低コストでもって良好に維持することが可能となる。なお、当然のことながら、さらに多数の除湿器40を備える構成にしてもよい。
When the
ところで、レーザビームの吸収散乱の発生が予想される場合には、除湿空気雰囲気から、炭酸ガス濃度低減空気雰囲気または窒素雰囲気に切換えるようにしてもよい。図5は本発明の第三の実施形態に基づくレーザ装置の略図である。図5においては、除湿器40から延びる通路49が切換弁70を介して供給通路31に接続されている。さらに、空気源50および窒素源60からそれぞれ延びる通路59、69も切換弁70を介して供給通路31に接続されている。
By the way, when the occurrence of absorption / scattering of the laser beam is expected, the dehumidified air atmosphere may be switched to the carbon dioxide concentration reduced air atmosphere or the nitrogen atmosphere. FIG. 5 is a schematic view of a laser device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, a
空気源50は分子フィルタ51を内部に備えている。空気源50内の空気は分子フィルタ51を通って通路59まで供給される。分子フィルタ51は炭酸ガス分子を濾過する役目を果たすので、空気は分子フィルタ51を通過することによって、その炭酸ガス濃度が低減される。なお、分子フィルタ51は、所定の使用期間の後または所定の空気量の処理の後で、空気を逆方向に供給することにより再生される。一方、窒素源60には乾燥窒素が充填されている。
The
これら空気源50と窒素源60とは制御装置1に電気的に接続されており、制御装置1からの指令によって、炭酸ガスの少ない空気および窒素を対応する通路59、69にそれぞれ供給するようになっている。同様に、切換弁70も制御装置1からの指令によって、通路49、59、69のうちのいずれか一つが供給通路31に連通するように作動する。
The
図5に示される第三の実施形態においては、切換弁70を適宜切換えることによって、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのいずれかを導光路30に供給することができる。これにより、第三の実施形態においても、前述したのと同様な効果を得ることができる。
In the third embodiment shown in FIG. 5, any one of dehumidified air, air with less carbon dioxide, and nitrogen can be supplied to the
なお、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのどれを選択するかについては、例えば光路長L、つまり出力鏡8と集光レンズ13との間の距離に基づいて定めるようにしてもよい。図6はいずれの雰囲気を採用するかを決定する際のフローチャートである。図6に示されるステップ101においてレーザ装置100の光路長Lが所定の長さL0よりも大きいか否かが判定される。所定長さの光路長L0は例えば10mである。光路長Lが所定の長さL0以下である場合にはステップ106に進んで、除湿器40からの除湿空気を使用するように切換弁70が切換えられる。
Note that whether to select dehumidified air, air with less carbon dioxide, or nitrogen is determined based on, for example, the optical path length L, that is, the distance between the output mirror 8 and the
光路長Lが所定の長さL0より大きいと判定された場合にはステップ102に進んで、レーザ発振器2の出力Pが所定の値P0よりも大きいか否かが判定される。所定の値P0は例えば2kWであるものとする。そして、出力Pが所定の値P0以下であると判定された場合にはステップ106に進む。このような場合には、加工ワーク20を加工不良とするほど大きなレーザビームの伝播変化は生じないと判定されるので、除湿器40からの除湿空気を使用するように切換弁70が切換えられる。
When it is determined that the optical path length L is greater than the predetermined length L0, the routine proceeds to step 102 where it is determined whether or not the output P of the
一方、レーザ発振器2の出力Pが所定の値P0より大きいと判定された場合にはステップ103に進み、光路長Lが所定の値L1よりも大きいか否かがさらに判定される。所定の値L1は所定の値L0よりも大きい値である。そして、光路長Lが所定の値L1以下であると判定された場合にはステップ105に進んで、空気源50からの炭酸ガス濃度低減空気を使用するように切換弁70が切換えられる。一方、光路長Lが所定の値L1より大きいと判定された場合にはステップ104に進んで、窒素源60からの窒素ガスを使用するよう切換弁70が切換えられる。
On the other hand, when it is determined that the output P of the
つまり、光路長Lが長くなるほどレーザビームの吸収散乱が起こりうるので、光路長Lが長くなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で導光路内雰囲気が選択されるようにしている。このような場合には、ランニングコストが比較的高い炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスの使用を可能な限り少なくすることができる。なお、図6におけるステップ103を設けることなしに窒素ガスまたは炭酸ガス濃度低減空気のいずれかを適宜使用するようにしてもよい。このような場合には、空気源50または窒素源60のうちのいずれか一方が排除されていてもよい。
That is, as the optical path length L becomes longer, absorption and scattering of the laser beam can occur. Therefore, as the optical path length L becomes longer, the atmosphere in the light guide path is selected in the order of dehumidified air, carbon dioxide concentration-reducing air, and nitrogen gas. ing. In such a case, the use of carbon dioxide concentration-reduced air and nitrogen gas, which have a relatively high running cost, can be reduced as much as possible. Note that either nitrogen gas or carbon dioxide concentration-reduced air may be appropriately used without providing
さらに、除湿空気、炭酸ガスの少ない空気、窒素のうちのどれを選択するかについては、加工ワーク20の寸法に基づいて定めるようにしてもよい。図7はいずれの雰囲気を採用するかを決定する際の他のフローチャートである。図7におけるステップ201においては加工ワーク20の寸法、より正確には表面積Aが所定の値A1よりも大きいか否かが判定される。そして、加工ワーク20の表面積Aが所定の値A1以下である場合にはステップ205に進んで、除湿空気を使用するよう切換弁70が切換えられる。
Further, whether to select dehumidified air, air with less carbon dioxide, or nitrogen may be determined based on the dimensions of the
加工ワーク20の表面積Aが所定の値A1よりも大きい場合には、ステップ202に進んでこの表面積Aが所定の値A2(A2>A1)よりも大きいか否かがさらに判定される。そして、表面積Aが所定の値A2以下である場合には空気源50からの炭酸ガス濃度低減空気を使用するよう切換弁70が切換えられ(ステップ204)、表面積Aが所定の値A2より大きい場合には窒素源60からの窒素が使用されるよう切換弁70が切換えられる(ステップ203)。
When the surface area A of the
加工ワーク20の寸法が大きくなると、これに伴って導光路30の長さも増大し、従って、レーザビームの吸収散乱も起こりうるので、加工ワーク20の寸法、例えば表面積が大きくなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で選択すれば、ランニングコストが比較的高い炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスの使用を可能な限り少なくすることが可能となる。
As the size of the
当然のことながら、他のパラメータ、例えばレーザビームのエネルギ密度に応じて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気および窒素ガスのうちのいずれかを選択するようにしてもよい。この場合には、レーザビームのエネルギ密度が小さくなるにつれて、除湿空気、炭酸ガス濃度低減空気、窒素ガスの順番で選択すればよい。また、前述した実施形態のいくつかを適宜組み合わせることは本発明の範囲に含まれる。 Naturally, any one of dehumidified air, carbon dioxide concentration-reduced air, and nitrogen gas may be selected according to other parameters, for example, the energy density of the laser beam. In this case, as the energy density of the laser beam decreases, the dehumidified air, carbon dioxide concentration-reduced air, and nitrogen gas may be selected in this order. Further, it is within the scope of the present invention to appropriately combine some of the embodiments described above.
1 制御装置
8 出力鏡
9 放電管
10 反射鏡
11 レーザ加工機
13 集光レンズ
16 加工ヘッド
20 加工ワーク
21 加工テーブル
30 導光路
31 供給通路
31a、31b 供給通路
32 開口部
32a、32b 開口部
40 除湿器
40a、40b 除湿器
49 通路
49、59、69 通路
50 空気源
51 分子フィルタ
60 窒素源
70 切換弁
100 レーザ装置
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、
前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、
該導光路内の空気を除湿する除湿手段とを具備するレーザ装置。 A laser oscillator;
A condensing optical system for condensing the laser output from the laser oscillator;
A light guide that guides the laser from the laser oscillator to the condensing optical system;
A laser apparatus comprising a dehumidifying means for dehumidifying air in the light guide.
該レーザ発振器から出力されるレーザを集光する集光光学系と、
前記レーザ発振器からの前記レーザを前記集光光学系まで導く導光路と、
空気を除湿する除湿手段と、
前記除湿手段によって除湿された除湿空気を前記導光路まで供給する供給手段とを具備するレーザ装置。 A laser oscillator;
A condensing optical system for condensing the laser output from the laser oscillator;
A light guide that guides the laser from the laser oscillator to the condensing optical system;
A dehumidifying means for dehumidifying the air;
A laser apparatus comprising: supply means for supplying dehumidified air dehumidified by the dehumidifying means to the light guide path.
該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、
前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記空気源からの前記空気のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項2から4のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Furthermore, switching means provided in the supply means,
An air source connected to the switching means, the carbon dioxide concentration of the air in the air source is reduced to a predetermined carbon dioxide concentration,
5. The switching unit according to claim 2, wherein either one of the dehumidified air from the dehumidifying unit and the air from the air source is supplied to the light guide path through the supply unit. 6. The laser device described in 1.
該切換手段に接続された窒素源とを具備し、
前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気または前記窒素源からの窒素のいずれか一方を前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項2から4のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Switching means provided in the supply means;
A nitrogen source connected to the switching means,
5. The switch according to claim 2, wherein the switching unit supplies either the dehumidified air from the dehumidifying unit or the nitrogen from the nitrogen source to the light guide through the supply unit. 6. The laser apparatus described.
該切換手段に接続された空気源とを具備し、該空気源内の空気の炭酸ガス濃度は所定の炭酸ガス濃度まで低減されており、
さらに、前記切換手段に接続された窒素源を具備し、
前記切換手段は、前記除湿手段からの除湿空気、前記空気源からの空気または前記窒素源からの窒素のいずれかを前記供給手段に通して前記導光路まで供給するようにした請求項2から4のいずれか一項に記載のレーザ装置。 Switching means provided in the supply means;
An air source connected to the switching means, the carbon dioxide concentration of the air in the air source is reduced to a predetermined carbon dioxide concentration,
Furthermore, comprising a nitrogen source connected to the switching means,
5. The switching means supplies either dehumidified air from the dehumidifying means, air from the air source, or nitrogen from the nitrogen source to the light guide through the supply means. The laser device according to any one of the above.
前記切換手段の切換作用は、前記被加工物の寸法に応じて定まるようにした請求項5から7のいずれか一項に記載のレーザ装置。 The laser focused by the focusing optical system is designed to process a workpiece.
The laser device according to any one of claims 5 to 7, wherein a switching action of the switching means is determined according to a dimension of the workpiece.
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