JP2007061861A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 加工ヘッド４のノズル８は、その内部空間を第１ガス通路１３としてあり、ノズル８の下部には第２ガス通路１５を形成している。第２ガス通路１５の下端開口部１５Ｂは、第１ガス通路１３の下端開口部８Ｂよりも小さくなっている。
切断加工前のピアッシングの際には、第２ガス通路１５だけから被加工物２に向けてアシストガスを吹き付けながらレーザ光Ｌを照射してピアッシング孔を穿設する。ピアッシングの際には加工部分に対するアシストガスの吹き付け面積が小さいので、ピアッシング時にピアッシング孔の周りに溶融物が飛散するのを抑制することができる。
【効果】 ピアッシング時に生じた溶融物によって静電容量センサが悪影響を受けることを防止して、安定して確実な切断加工を行うことが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ加工装置に関し、より詳しくはその加工ヘッドの改良に関する。

従来、中空で逆円錐形状のノズルを備えたレーザ加工装置の加工ヘッドは公知である。こうした従来の加工ヘッドにおいては、ノズルの下端開口部から被加工物に向けてアシストガスを吹き付けつつ被加工物の所要箇所にレーザ光を照射してピアッシング孔を穿設し、そのピアッシング孔の位置から切断加工に移行するようにしている。
ところで、上述したように被加工物にピアッシング孔を穿設するピアッシングの際には、ピアッシング孔の周囲に被加工物の溶融物が放射状に飛散して被加工物の表面に付着するという欠点があった。
このように、ピアッシング孔の周囲に溶融物が付着していると、切断加工に移行した際に、ノズルと被加工物との距離を一定に維持する倣いセンサが上記溶融物によって悪影響を受けて、切断不良が発生することがあった。
そこで、ピアッシング時にアシストガスの吹き付け面積を小さくして溶融物の飛散量を抑制することが要望されており、そのために従来から幾つかの提案がなされている（例えば特許文献１、特許文献２）。
特開２０００−１２６８８９号 特開２００１−１８０８７号

特許文献１の装置においては、加工ヘッドのノズルとは別にピアッシング用ノズルおよび補助具を設けてピアッシング孔の内径を小さくすることにより、ピアッシング時の溶融物の発生を抑制している。しかしながら、特許文献１のレーザ加工装置においては、ピアッシングの前後にピアッシング用ノズルおよび補助具の設置と排出作業が必要であり、そのような作業が煩雑なものとなっていた。
他方、特許文献２の装置においては、加工ヘッドのノズルの下方側に絞り機構を取り付けてあり、ピアッシングの際には上記絞り機構の開口部を縮小させてピアッシング孔の位置へのアシストガスの吹き付け面積を小さくしている。しかしながら、この特許文献２においては、ノズルの下方位置に上記絞り機構を設けているので、被加工物の加工部分を確認する際に上記絞り機構が邪魔になり、しかも加工ヘッドの構成が複雑になるという欠点があった。

上述した事情に鑑み、本発明は、内部空間を第１ガス通路として先端の開口部からアシストガスを噴出させるようにしたノズルと、アシストガスの供給源とを備え、被加工物の加工部分にアシストガスを吹き付けながらレーザ光を照射して所要の加工を施すレーザ加工装置において、
上記第１ガス通路の先端の開口部よりも小さな開口部を先端に有する第２ガス通路を上記ノズルに形成し、上記ガス通路の一方を介してアシストガスを加工部分に吹き付けるようにしたものである。

このような構成によれば、ピアッシングの際には第２ガス通路を介して切断加工時よりも小さい吹き付け面積でアシストガスを加工部分へ供給することができる。そのため、簡単な構成によってピアッシング時の溶融物の飛散を抑制することができる。

以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１において、１は被加工物２にレーザ加工を施すレーザ加工装置である。このレーザ加工装置１は、被加工物２を載置して水平面で移動可能な加工テーブル３と、被加工物２に向けてレーザ光Ｌを照射し、かつアシストガスを吹き付ける加工ヘッド４と、加工ヘッド４に向けてアシストガスを供給するアシストガスの供給源５とを備えている。

加工ヘッド４は、集光レンズ６を収納した円筒状のハウジング７と、このハウジング７の下部に連結した中空逆円錐形のノズル８とを備えている。
加工ヘッド４は軸心が鉛直方向となるように昇降機構１１によって支持されており、昇降機構１１は制御装置１２によって作動を制御されるようになっている。
また、被加工物２を支持した加工テーブル３と上記加工ヘッド４は、図示しない駆動機構によって水平面において相対移動できるようになっている。
上記制御装置１２によって図示しないレーザ発振器が作動されると、該レーザ発振器から発振されたレーザ光Ｌは上記集光レンズ６によって集光されてからノズル８の内部空間８Ａおよびノズル８の下端開口部８Ｂを通過して被加工物２へ照射されるようになっている。
また、このようにレーザ光Ｌを被加工物２に照射して加工する際には、被加工物２のレーザ光Ｌの照射位置（加工部分）に対してノズル８を介してアシストガスを吹き付けるようになっている。本実施例においては、切断加工前のピアシングの際とピアッシング後の切断加工の際とで、加工部分へのアシストガスの吹き付け面積を異ならせたものである。

すなわち、加工ヘッド４のノズル８は下方側が窄まる中空の逆円錐状になっており、ノズル８の内部空間８Ａおよびそれから続く下端開口部８Ｂは、切断加工時のアシストガスの通路となる第１ガス通路１３としている。この第１ガス通路１３を構成する内部空間８Ａは、ノズル８における上方部に形成した半径方向の貫通孔８Ｃと、そこに接続した導管１４を介して上記アシストガスの供給源５に連通させている。

そして、ノズル８の下方部における中実部分に軸心に沿って第２ガス通路１５を形成している。この第２ガス通路１５は、一端の開口部１５Ａがノズル８の外周部に位置し、他端の開口部１５Ｂがノズル８の下端部の端面８Ｄに開口する貫通孔から構成されている。図２にも拡大して示すように、第２ガス通路１５における下方部分は、第１ガス通路１３の下端開口部８Ｂの中心に向かう方向に伸びて、かつ水平面に対して４５度以上傾斜するように形成されている。そして、第２ガス通路１５の先端となる開口部１５Ｂの大きさは、本来の下端開口部８Ｂよりも所定量だけ小さく設定されている。
このように、第２ガス通路１５の下端開口部１５Ｂを上記第１ガス通路１３の下端開口部８Ｂに近接させて配置してあり、レーザ光Ｌを被加工物２に照射して加工する際には、その照射位置である加工部分に対して両通路１３、１５のいずれかからアシストガスを吹き付けることができるようになっている。
第２ガス通路１５の上方側の開口部１５Ａは分岐管１６の一端に接続されており、この分岐管１６の他端は、上記導管１４の途中に接続されている。
また、上記分岐管１６の接続箇所よりも下流側となる導管１４の途中には第１切換え弁１７を設けるとともに、上記分岐管１６の途中に第２切換え弁１８を設けている。これら両切換え弁１７，１８は制御装置１２によって作動を制御されるようになっており、制御装置１２は、一方の切換え弁を開放している時には、他方の切換え弁を閉鎖させるようになっている。
したがって、本実施例においては、加工時においてノズル８の内部空間８Ａである第１ガス通路１３あるいはその隣接位置の第２ガス通路１５を介してアシストガスの供給源５から被加工物２の加工部分へアシストガスを供給できるようになっている。非加工時には、両切換え弁１７、１８を閉鎖することで、アシストガスの供給を停止することができるようになっている。

さらに本実施例においては、上記分岐管１６の接続箇所よりも上流側となる導管１４の途中に圧力調整弁２１を設けている。この圧力制御弁２１の作動も制御装置１２によって制御されるようになっており、制御装置１２は、この圧力調整弁２１の作動を制御してピアッシング時や切断加工時に供給されるアシストガスの圧力を調整するようになっている。
本実施例においては、アシストガスの供給源５からアシストガスとして窒素を供給して溶融物の量を抑制するようにしているが、窒素の代わりにアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスや二酸化炭素など酸素を含まないガスを用いても良い。
さらに、上記ノズル８の下端部には、従来公知の静電容量センサを構成する電極２２を埋設している。この静電容量センサは、該センサの電極２２と被加工物２との間の距離の違いに応じた静電容量の変化を検出して、その検出結果を制御装置１２に入力するようになっている。制御装置１２は、上記静電容量センサによる静電容量の検出結果を基にして上記昇降機構１１の作動を制御して、ノズル８の下端開口部８Ｂと被加工物２との間の距離ｄを切断加工時において一定に維持するようになっている。

以上のように構成したレーザ加工装置１によって例えば被加工物２としてステンレス板に切断加工を施す場合の作動を説明する。
この場合には、先ず図２（ａ）に示すように、被加工物２の表面からノズル８の下端開口部８Ｂまでの距離ｄを例えば３ｍｍとなるように加工ヘッド４を位置させる。このとき、静電容量センサによる静電容量の検出結果から制御装置１２は加工ヘッド４の高さ（開口部８Ｂと被加工物２との距離）を認識している。また、圧力調整弁２１は、制御装置１２によって予め定めた所定の圧力となるように調整されている。
そして、制御装置１２により第１切換え弁１７を閉鎖する一方、第２切換え弁１８を開放させる。これにより、アシストガスの供給源５からアシストガスが第２ガス通路１５内へ供給され、その後、第２ガス通路１５の下端開口部１５Ｂから被加工物２のピアッシング孔Ｐの穿設予定箇所に向けて吹き付けられる。
この状態において、制御装置１２によって図示しないレーザ発振器が作動され、レーザ発振器から発振されたレーザ光Ｌは集光レンズ６によって集光されてからノズル８の内部空間８Ａ（第１ガス通路１３）を介して下端開口部８Ｂから被加工物２におけるピアッシング孔Ｐの穿設予定箇所に照射され、ピアッシングが開始される。
ここで、上記第２ガス通路１５の下端開口部１５Ｂの大きさは、第１ガス通路１３の下端開口部８Ｂよりも小さいので、このピアッシングの際に被加工物２に向けて吹き付けられているアシストガスの吹き付け面積は小さい。
そのため、レーザ光Ｌが照射されて被加工物２へのピアッシングが進行することに伴う溶融物の飛散量は少なくなるように抑制され、ピアッシングが終了した後の状態では、ピアッシング孔Ｐの周囲となる被加工物２の表面に付着する飛散溶融物３０は、ピアッシング孔Ｐの周囲の一部だけに抑えられる（図６参照）。

このようにしてピアッシングが終了したら、制御装置１２は上記昇降機構１１によって加工ヘッド４を下降させて、ノズル８の下端開口部８Ｂと被加工物２の表面との距離ｄが１ｍｍとなる高さ位置に加工ヘッド４を支持する（図２（ｂ）参照）。
なお、昇降機構１１による加工ヘッド４の高さの変更は静電容量センサによる静電容量の検出結果を基にして制御装置１２に認識されている。
そして、この後、制御装置１２は、第１切換え弁１７を開放させる一方、第２切換え弁１８を閉鎖させる。これにより、第２ガス通路１５へのアシストガスの供給は停止される一方、アシストガスは第１ガス通路１３に供給された後に下端開口部８Ｂから被加工物２のレーザ光Ｌの照射予定部分（切断加工開始部分）に吹き付けられる。
この状態において制御装置１２は、レーザ発振器を作動することによってレーザ光Ｌが切断加工開始部分に照射され、図示しない駆動機構により加工ヘッド４と加工テーブル３上の被加工物２とを水平面において相対移動させることで、例えば図６に示すようにピアッシング孔Ｐの位置から横方向に加工位置を移動させて円形の孔３０を切断加工するようになっている。
このように加工ヘッド４と被加工物２とを水平面において相対移動させることに伴って、静電容量センサによる検出対象領域も変化するが、上述したように、ピアッシング孔Ｐの周囲にはわずかな溶融物３０が付着しているだけであるため、この溶融物３０によって静電容量センサによる検出結果が影響を受け難くなっており、したがって、被加工物２に対して安定して確実な切断加工を施して孔３０を形成することができる。

このような本実施例に対して、ノズル８に上述した第２ガス通路１５を形成していない従来の加工ヘッドにおいては、ピアッシングの際にもノズル８の内部空間とその下端開口部を介して加工部分にアシストガスを吹き付けることになる。
そのため、ピアッシングの際の加工部分へのアシストガスの吹き付け面積が多くなり、図７に示すように、ピアッシング孔Ｐの直径が大きくなるとともにピアッシング孔Ｐの周囲の被加工物２の表面全域にわたって溶融物３０が放射状に飛散して付着することになる。
そのため、ピアッシング孔Ｐの近傍を切断加工する際には、被加工物２の表面の溶融物３０によって静電容量センサの検出結果に悪影響が生じ、制御装置１２による昇降機構１１を介しての加工ヘッド４の高さ制御がばらついて、切断が不良になることがあった。また、このような従来の技術においては、切断加工の終了後において、上記被加工物２の表面に付着した溶融物３０を除去する作業が煩雑であった。
これに対して、上述したように、本実施例においては、ピアッシング時に発生する溶融物３０の飛散量を抑制することで、確実で安定した切断加工を行うことができ、切断加工後においても溶融物３０の除去作業を簡略化することができる。

次に、上述した第１の実施例においては、ノズル８の下端開口部８Ｂと被加工物２との距離ｄをピアッシング時と切断加工時で異ならせていたが、上記距離ｄをピアッシング時と切断加工時とで同一にして、両方の加工ができるようにノズル８のガス通路及びその先端の開口部を形成するようにしても良い。つまり、図３に示すように、第２ガス通路１５の下端開口部１５Ｂから噴出されるアシストガスの吹き付け位置が、被加工物２のレーザ光Ｌの照射位置と一致するように、第２ガス通路１５の下方部の傾斜角度を形成する。
このように構成することで、先ず、ピアッシングの際には、第２ガス通路１５からレーザ光Ｌの照射位置であるピアッシング孔の加工部分にアシストガスを吹き付けながらレーザ光Ｌを照射する。
そして、ピアッシングが終わったら加工ヘッド４を下降することなくガス通路を切り換えて第１ガス通路１３から被加工物２に向けてアシストガスを吹き付けながらレーザ光Ｌを照射して切断加工を行う。
このような第２の実施例においても、上記第１の実施例と同様、ピアッシング時に被加工物２へのアシストガスの吹き付け面積を小さくし、切断加工時においては被加工物２へのアシストガスの吹き付け面積を大きくすることができる。したがって、ピアッシング時において溶融物の飛散を抑制することができる。

次に、上述した２つの実施例においては、ピアッシング時と切断加工時に同じ種類のアシストガスを被加工物に吹き付けるようにしているが、ピアッシングの際と切断加工の際とでアシストガスの種類を異ならせても良い。
つまり、図４は本発明の第３実施例を示したものである。この第３実施例のレーザ加工装置１においては、アシストガスとして窒素を被加工物の加工部分に供給する第１供給源５と、アシストガスとして酸素または空気を被加工物の加工部分に供給する第２供給源５’とを備えている。第１供給源５は第１導管１４を介してノズル８の第１ガス通路１３に連通可能となっており、第１導管１４に第１切換え弁１７と第１圧力調整弁２１を設けている。また、第２供給源５’は、第２導管１４’を介してノズル８の第２ガス通路１５に連通可能となっており、第２導管１４’に第２切換え弁１８と第２圧力調整弁２１’を設ける。図示しない制御装置によって各切換え弁１７、１８の作動を制御する。ノズル８の構成は、上記第１の実施例と同じ構成とする。
このように、図４に示した第３実施例において、被加工物に対するピアッシングの際には第１切換え弁１７を閉鎖するとともに第２切換え弁１８を開放することでノズル８の第２ガス通路１５から被加工物の加工部分に窒素を供給してピアッシング孔を穿設する。そして、切断加工の際には、第２切換え弁１８を閉鎖する一方、第１切換え弁１７を開放して第１ガス通路１３から酸素又は空気を加工部分に供給する。

次に、図５は上記図１に示す第１の実施例の構成を前提とした第４実施例を示したものである。この第４実施例では、圧力調整弁２１よりも上流側となる導管１４に分岐管２５の一端を接続し、この分岐管２５の他端をアシストガスの第２供給源５’に接続したものである。この第４実施例においては、第１供給源５は、アシストガスとしての窒素を被加工物の加工部分に供給するようにしてあり、第２供給源５’からは加工部分にアシストガスとして酸素又は空気を供給するようになっている。分岐管２５の接続箇所よりも上流側となる導管１４に第３切換え弁３１を設けるとともに分岐管２５の途中に第４切換え弁３２を設けている。その他の構成は図１に示した第１の実施例と同じである。
この第４実施例においては、ピアッシングの際には第１切換え弁１７および第３切換え弁３１を閉鎖する一方、第２切換え弁１８および第４切換え弁３２を開放してノズル８の第２ガス通路１５から加工部分に窒素を供給してピアッシング孔を穿設する。そして、切断加工の際には、第２切換え弁１８および第４切換え弁３２を閉鎖する一方、第１切換え弁１７および第３切換え弁３１を開放して第１ガス通路１３から酸素又は空気を加工部分に吹き付けるようにしている。
このような図４及び図５に示した各実施例であっても上述した第１実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
なお、上述した各実施例においては、被加工物としてステンレスを想定しているが、被加工物としてはアルミニウム、鉄等であっても良い。

一部を断面で示した本発明の一実施例を示す構成図。 図１に示した要部のピアッシング時と切断加工時の状態を示す断面図。 本発明の他の実施例を示す断面図。 本発明の他の実施例を示す構成図。 本発明の他の実施例を示す構成図。 図１に示したレーザ加工装置によって切断加工を施した後の被加工物の平面図。 従来技術によって切断加工を施した後の被加工物の平面図。

符号の説明

１…レーザ加工装置 ２…被加工物
５…アシストガスの供給源 ８…ノズル
８Ｂ…開口部 １３…第１ガス通路
１５…第２ガス通路 １５Ｂ…開口部

Claims (3)

1. 内部空間を第１ガス通路として先端の開口部からアシストガスを噴出させるようにしたノズルと、アシストガスの供給源とを備え、被加工物の加工部分にアシストガスを吹き付けながらレーザ光を照射して所要の加工を施すレーザ加工装置において、
   上記第１ガス通路の先端の開口部よりも小さな開口部を先端に有する第２ガス通路を上記ノズルに形成し、上記ガス通路の一方を介してアシストガスを加工部分に吹き付けるようにしたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 被加工物にピアシング孔を穿設するピアッシングの際には上記第２ガス通路を介して加工部分にアシストガスを吹き付け、被加工物に切断加工を施す際には上記第１ガス通路を介して切断加工部分にアシストガスを吹き付け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. 上記ピアッシングの際には、上記アシストガスとして酸素を含まないガスを用いることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。

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