JP2008114275A - レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工用ガスの噴射圧力を微調整することが容易なレーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】レーザ加工ヘッド１は、ノズル部１０と流路２０，２２とを備えている。流路２０，２２にドライエアＧＢが供給されると、ドライエアＧＢが流路２０，２２を流れることにより負圧が発生する。ノズル部１０の内室１１と流路２０，２２の中途とは連通路３２，３４を介して連通しているので、発生した負圧により、内室１１のシールドガスＧＡは流路２０，２２に吸引されることとなる。その結果、噴出孔１２におけるシールドガスＧＡの噴射圧力が低下する。ドライエアＧＢの流量を変えれば、流路２０，２２に吸引されるシールドガスＧＡの量を変えることができ、噴出孔１２におけるシールドガスＧＡの噴射圧力を変えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法に関するものである。

レーザ光を集光させて加工対象物に照射することで、加工対象物を溶融もしくは蒸発させて、加工対象物に穴あけや切断、溶接等の加工を施すレーザ加工装置が従来知られている。このようなレーザ加工装置に用いられるレーザ加工ヘッドとして、例えば特許文献１に記載されているように、レーザ光を出射するノズルの先端にレーザ加工用ガス（シールドガス）を噴射するための噴出口を設けたものが知られている。
特開平１１−２６７８７６号公報

ところで、レーザ加工を行う際には、レーザ加工ヘッドから噴射するレーザ加工用ガスの圧力を、加工に適した値に調整する必要がある。

加工対象物に穴あけ加工や切断加工を施す場合には、レーザ加工用ガスの噴射圧力がこれらの加工に適した値よりも大きくなると、レーザ光の照射により形成された孔から、溶融物が比較的広範囲にわたり飛散してしまうことがある。また逆に、形成された孔から溶融物が排出されにくくなることもある。これらの結果、孔の内部および孔の周辺に、不要な溶融物が付着してなる溶融部が形成されてしまうおそれが生じる。穴あけ加工や切断加工中にこのような溶融部が形成されると、かかる溶融部にレーザ光のエネルギーが吸収されてしまい、加工効率が悪くなる。一方、加工対象物に溶接加工を施す場合には、レーザ加工用ガスの噴射圧力が溶接加工に適した値よりも大きくなると、溶融した部材が飛び散ってしまい、レーザ光の照射により形成された孔を埋め戻すことができなくなって、程よく盛り上がった溶接ビードが得られなくなることがある。以上のような不具合の発生を抑えるためには、状況に応じてレーザ加工用ガスの噴射圧力を微調整し、かかる圧力を常に最適値にしておく必要がある。

従来のレーザ加工ヘッドでは通常、レーザ加工用ガスはガスボンベから供給されており、噴出口からの噴射圧力を調整するためには、ガスボンベからの供給圧力を変えなくてはならない。供給圧力の調整は、ガスボンベに設けられたレギュレータを操作することにより行われるのが一般的である。レギュレータの操作によって供給圧力を精度よく調整することは難しく、そのため噴射圧力の微調整が難しいという問題が生じていた。なお、供給圧力を調整する他の方法として、NCプログラムによる方法が知られている。NCプログラムにより圧力調整されたレーザ加工用ガスは、配管を通ってレーザ加工ヘッドに供給される。配管を経由するので、圧力調整がなされた時刻と、レーザ加工用ガスが実際にレーザ加工ヘッドに達する時刻との間に、タイムラグが発生してしまう。したがって、NCプログラムを用いた場合であっても、噴射圧力を微調整することは困難となっていた。

そこで本発明は、レーザ加工用ガスの噴射圧力を微調整することが容易なレーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工ヘッドは、加工対象物にレーザ光を照射することによって加工対象物を加工するレーザ加工装置に用いられるレーザ加工ヘッドであって、集光光学系により集光されたレーザ光の光軸とレーザ加工用ガスの噴出軸とが同軸になるように噴出孔が形成されているノズルと、ノズルの周囲に設けられ、その両端が開口されてなる流路と、流路の中途において、レーザ加工用ガスが充填されるノズルの内室と流路とを連通する連通路と、を備えることを特徴とする。

本発明のレーザ加工ヘッドは、ノズルと流路とを備えている。流路に気体を供給すると、この気体が流路を流れることにより負圧が発生する。ノズルの内室と流路とは連通路を介して連通している。そのため、ノズル内のレーザ加工用ガスは、発生した負圧によって流路に吸引されることとなる。これにより、ノズルの噴出孔におけるレーザ加工用ガスの噴射圧力が低下する。流路に吸引されるレーザ加工用ガスの量は、負圧の大きさに応じて変化する。また、負圧の大きさは、流路における気体の流量に応じて変化する。したがって、気体の流量を変えれば、流路に吸引されるレーザ加工用ガスの量を変えることができ、ひいてはノズルの噴出孔におけるレーザ加工用ガスの噴射圧力を変えることができる。

このように、本発明のレーザ加工ヘッドでは、レーザ加工用ガスの供給圧力を変えるのではなく、流路に気体を流し、その流量を変えることでレーザ加工用ガスの噴出圧力を調整する。したがって、レーザ加工用ガスの供給圧力を固定したまま、流路に流す気体の流量を状況に応じて増減するということが可能となり、これによってレーザ加工用ガスの噴出圧力を適宜調整することができる。その結果、レーザ加工用ガスの噴出圧力を容易に微調整することが可能となる。なお、レーザ光はレーザ加工用ガスの中を通過するため、噴出圧力の変化による影響を受けることなく加工対象物に到達することができる。

また、本発明のレーザ加工ヘッドでは、連通路が内室に臨む連通孔と噴出孔との間の距離は、連通孔と集光光学系との間の距離よりも短いことが好ましい。連通孔は、内室から流路へレーザ加工用ガスを送出する際の吸引口となる。この連通孔を集光光学系から遠い位置に配することにより、集光光学系の付近でレーザ加工用ガスの圧力が弱くなることを防止できる。よって、集光光学系は供給時の圧力を有するレーザ加工用ガスでシールドされることとなるため、レーザ加工時に発生するプラズマ等から集光光学系を確実に保護することができる。

また、本発明のレーザ加工ヘッドでは、ノズルには連通孔が複数形成されており、当該複数の連通孔はそれぞれ噴出軸周りに略等間隔で形成されていることが好ましい。この場合、ノズルから流路へ、レーザ加工用ガスをスムーズに導出することが可能となる。

また、本発明のレーザ加工方法は、レーザ光の光軸と同軸にレーザ加工用ガスを噴出するレーザ加工ヘッドを用いて、加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、加工対象物にレーザ光を照射しながらレーザ加工用ガスを噴出し、加工対象物を加工する加工工程と、レーザ加工用ガスが充填されるレーザ加工ヘッドの内室に中途が連通している流路の一端から他端に向けて気体を流入させる負圧発生工程と、を有することを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法では、流路に気体を流入させることで生じる負圧により、レーザ加工ヘッドの内室からレーザ加工用ガスを吸引することができる。そのため、上述のレーザ加工ヘッドを用いた場合と同様に、レーザ加工用ガスの噴出圧力を容易に微調整することが可能となる。

本発明によれば、レーザ加工用ガスの噴射圧力を微調整することが容易な、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工ヘッドを概略的に示す断面図であり、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、加工対象物Ｗにレーザ光ＬＳを照射することによって加工対象物Ｗを溶接加工するレーザ加工装置に用いられるものであって、図１に示されるように、レンズ（集光光学系）２と、ノズルホルダ４と、流路形成部材６とを備えている。なお、図１，２においては、説明の便宜上、レーザ光ＬＳの光軸方向をｚ軸方向とし、これに直交する２方向をそれぞれｘ軸方向及びｙ軸方向として、ｘｙｚ座標系を規定している。

ノズルホルダ４は、レーザ光ＬＳの光軸と同軸にシールドガスＧＡ（レーザ加工用ガス）を噴出するものである。より具体的には、ノズルホルダ４は、略円筒状を呈したホルダ部８とノズル部１０（ノズル）とを勘合させた形状を呈しており、ノズル部１０の先端には噴出孔１２が形成されている。ノズル部１０の内室１１には、レーザ光ＬＳを集光するためのレンズ２が配設されている。レンズ２により集光されたレーザ光ＬＳは、先端の噴出孔１２から出射される。噴出孔１２は、レーザ光ＬＳの光軸方向とシールドガスＧＡの噴出軸とが同軸になるように形成されている。つまり、本実施形態のレーザ加工ヘッド１はセンターガスタイプのものとなっている。

ノズル部１０の側部には、ガス供給口１４が形成されている。このガス供給口１４を介して、シールドガスＧＡがノズル部１０の内室１１に供給される。供給されるシールドガスＧＡとしては、例えばＡｒやＨｅ等の不活性ガスが挙げられる。ガス供給口１４は、ｙ軸方向から見たときに、連通孔１６，１８とレンズ２との間に位置している。ガス供給口１４には、ガス配管１５を介してガスボンベ（図示せず）が接続されている。このガスボンベに設けられたレギュレータ（図示せず）を操作することにより、シールドガスＧＡの供給圧力が調整される。ガス供給口１４を介してノズル部１０の内室１１に供給されたシールドガスＧＡは、ノズル部１０の噴出孔１２から噴出される。

ノズル部１０の側部には、内室１１に臨む２つの連通孔１６，１８が形成されている。連通孔１６，１８は、ノズル部１０の内面から外面に向かって拡径したテーパー状（円錐台状）となっている。連通孔１６，１８は、ノズル部１０の噴出軸周りに略等間隔で配されている。より具体的にいうと、連通孔１６，１８は、ｚ軸方向から見たときに、互いに対向するよう配されている。また、連通孔１６，１８は、ｙ軸方向から見たときに、レンズ２と噴出孔１２との間に位置している。連通孔１６，１８と噴出孔１２との間の距離は、連通孔１６，１８とレンズ２との間の距離よりも短くなっている。すなわち、連通孔１６，１８は噴出孔１２付近に位置している。

ノズル部１０における先端部の周囲には、流路形成部材６が配設されている。流路形成部材６は、板状部材の中心部をノズル部１０の先端形状に沿ってくり抜いた外形を有しており、かかるくり抜き部分にノズル部１０の先端部が嵌合するようになっている。流路形成部材６の内部には、両端が開口した２つの流路２０，２２が設けられている。２つの流路２０，２２は、ノズル部１０の先端部を挟むように配設されており、ｙ軸方向に伸びている。流路形成部材６の側面のうち、ｙ軸方向で対向する側面２８，３０には、流路２０の開口縁２０ａ，２０ｂおよび流路２２の開口縁２２ａ，２２ｂが設けられている。開口縁２０ａ，２２ａは側面２８に位置しており、開口縁２０ｂ，２２ｂは側面３０に位置している。本実施形態において、流路２０，２２はレーザ光ＬＳの光軸と略直交する方向に延在することとなる。これにより、開口縁２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂから流入あるいは排出されるドライエアＧＢが加工対象物Ｗに当たることを抑制できる。

流路形成部材６には、２つの連通孔２４，２６が形成されている。連通孔２４，２６は、流路２０，２２の中途から、ノズル部１０における先端部と対向する側面に向かって伸びている。連通孔２４，２６はノズル部１０の連通孔１６，１８と対応する位置に形成されており、連通孔２４および連通孔１６からなる連通路３２と、連通孔２６および連通孔１８からなる連通路３４とによって、流路２０，２２とノズル部１０の内室１１とは連通されることとなる。連通孔２４，２６は、ｚ軸方向から見たときに、ノズル部１０における先端部と対向する側面から流路２０，２２に向かって拡径したテーパー状となっている。

このような構成を有するレーザ加工ヘッド１を用いた溶接加工方法について、説明する。

まず、レーザ加工ヘッド１の直下に加工対象物Ｗをセットする。続いて、レンズ２によって集光したレーザ光ＬＳを照射しながら、加工対象物ＷにシールドガスＧＡを噴出し、加工対象物Ｗに溶接加工を施す。

シールドガスＧＡを噴出するにあたっては、ガスボンベに設けられたレギュレータ（図示せず）を操作し、所定の供給圧力でノズル部１０の内室１１にシールドガスＧＡを導入する。これにより、内室１１がシールドガスで充填されるとともに、噴出孔１２からシールドガスＧＡが噴射されることとなる。

続いて、公知の送風機等（図示せず）を用いて、流路形成部材６の流路２０，２２にドライエアＧＢを流す。このとき、流路２０については開口縁２０ａからドライエアＧＢを流入させ、流路２２については開口縁２２ｂからドライエアＧＢを流入させる。これにより、流路２０と流路２２とでドライエアＧＢの流れる方向が逆となる。ドライエアＧＢの流れる方向を逆とすることで、後述するシールドガスＧＡの吸引をよりスムーズに行うことができる。

流路２０，２２にドライエアＧＢが流れると、負圧が発生する。かかる負圧により、ノズル部１０の内室１１のシールドガスＧＡは連通路３２，３４を介して流路２０，２２に引き込まれる。流路２０，２２に引き込まれたシールドガスＧＡは、ドライエアＧＢとともに流路２０，２２を通って、開口縁２０ｂおよび２２ａから外部に排出される。このように、ノズル部１０から流路２０，２２にシールドガスＧＡが流出するため、ノズル部１０の噴出孔１２におけるシールドガスＧＡの噴射圧力が減少する。なお、本実施形態では、連通路３２，３４を構成する連通孔１６，１８および連通孔２４，２６を上述したテーパー状とすることで、内室１１から流路２０，２２へのシールドガスＧＡの流出をスムーズなものとするとともに、流路２０，２２から内室１１へのドライエアＧＢの流入を確実に防止している。

噴出孔１２からシールドガスＧＡの噴射圧力は、負圧が大きくなるにつれて減少する。負圧の大きさは、ドライエアＧＢの流量に応じて変化する。ここで、ドライエアＧＢの流量とシールドガスＧＡの噴出圧力との関係を明らかにするために行った実験の結果を示す。図３は、流路２０，２２におけるドライエアＧＢの流量を毎分０リットル〜１００リットルとし、その場合の噴出孔１２直下の圧力を測定した結果を示す図表である。図３に示される結果から、ドライエアＧＢの流量が毎分５０リットル〜１００リットルの範囲で増加すると、それに伴って噴出孔１２直下の圧力、すなわちシールドガスＧＡの噴射圧力が減少していくことがわかる。この結果に基づいてドライエアＧＢの流量を調節し、シールドガスＧＡの噴射圧力を、加工対象物Ｗの加工に最も適した値とする。溶接加工中はドライエアＧＢの流量を適宜調節し、シールドガスＧＡの噴射圧力が常に最適値となるようにする。

以上説明したように、本実施形態のレーザ加工ヘッド１は、ノズル部１０と流路２０，２２とを備えている。流路２０，２２にドライエアＧＢが供給されると、ドライエアＧＢが流路２０，２２を流れることにより負圧が発生する。ノズル部１０の内室１１と流路２０，２２の中途とは連通路３２，３４を介して連通しているため、発生した負圧により、ノズル部１０の内室１１のシールドガスＧＡは流路２０，２２に吸引されることとなる。その結果、噴出孔１２におけるシールドガスＧＡの噴射圧力が低下する。

流路２０，２２に吸引されるシールドガスＧＡの量は、ドライエアＧＢの流量に応じて変化する。したがって、ドライエアＧＢの流量を変えれば、流路２０，２２に吸引されるシールドガスＧＡの量を変えることができ、ひいては噴出孔１２におけるシールドガスＧＡの噴射圧力を変えることができる。

このように、本実施形態のレーザ加工ヘッド１は、シールドガスＧＡの供給圧力を変えるのではなく、流路２０，２２にドライエアＧＢを流し、その流量を変えることによって噴出孔１２からのシールドガスＧＡの噴出圧力を調整する構成となっている。したがって、ガスボンベからのシールドガスＧＡの供給圧力を所定の値で固定したまま、流路２０，２２を通るドライエアＧＢの流量を状況に応じて増減するということが可能となり、これによってシールドガスＧＡの噴出圧力を適宜調整することができる。その結果、シールドガスＧＡの噴出圧力を容易に微調整することが可能となる。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド１では、ノズル部１０の内室１１に臨む連通孔１６，１８とノズル部１０の噴出孔１２との間の距離が、かかる連通孔１６，１８とレンズ２との間の距離よりも短くなっている。連通孔１６，１８は、連通路３２，３４の一部であり、内室１１から流路２０，２２へシールドガスＧＡを送出する際の吸引口となる。吸引口である連通孔１６，１８をレンズ２から遠い位置に配することにより、レンズ２付近でシールドガスＧＡの圧力が弱くなることを防止できる。よって、レンズ２周辺は供給時の圧力を有するシールドガスＧＡでシールドされることとなるため、レーザ加工時に発生するプラズマ等からレンズ２を確実に保護することができる。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド１では、ノズル部１０に２つの連通孔１６，１８が形成されており、これらの連通孔１６，１８は噴出軸方向すなわちｚ軸方向に略等間隔で位置している。このような位置に連通孔１６，１８を配することにより、ノズル部１０から流路２０，２２へシールドガスＧＡをスムーズに導出することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。

例えば、流路２０，２２の開口縁２０ａ，２２ｂに、流路２０，２２におけるドライエアＧＢの流量を制御する制御手段を接続するとしてもよい。

また、レーザ加工ヘッド１のノズル部１０には２つの連通孔１６，１８が形成されるとしたが、連通孔の数はこれ以外であってもよい。より具体的には、図４に示されるように、３つの連通孔４０，４１，４２が形成されるとしてもよい。図４に示される変形例では、ノズル部１０の連通孔４０，４１，４２と流路形成部材６に設けられた３つの連通孔４６，４７，４８とを介して、ノズル部１０と３つの流路４３，４４，４５とが連通されている。このように２つ以上の連通孔４０，４１，４２を形成する場合であっても、連通孔４０，４１，４２を略等間隔で配することが好ましい。これにより、ノズル部１０から流路４３，４４，４５にシールドガスＧＡをスムーズに導出することが可能となる。なお、連通孔の数は１つでもよいが、シールドガスＧＡを効率よく流路４３，４４，４５に導出するという観点からすれば、連通孔の数は複数であることが望ましい。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド１では、流路形成部材６の流路２０，２２にドライエアＧＢを供給するとしたが、流路２０，２２に供給可能な気体はドライエアＧＢに限られず、シールドガスＧＡと同一の気体（すなわちＡｒやＨｅ等の不活性ガス）であってもよい。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド１は、加工対象物Ｗを溶接加工するレーザ加工装置に用いられるとしたが、穴あけ加工あるいは切断加工するレーザ加工装置にも用いることができる。この場合、レーザ加工用ガスとしてアシストガスが用いられることはいうまでもない。

本実施形態に係るレーザ加工ヘッドを概略的に示す断面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 ドライエアの流量とノズルの噴出孔直下の圧力との関係を調べる実験の結果を示す図表である。 レーザ加工ヘッドの変形例を示す図である。

符号の説明

１…レーザ加工ヘッド、２…レンズ、４…ノズルホルダ、６…流路形成部材、８…ホルダ部、１０…ノズル部、１１…内室、１２…噴出孔、１４…ガス供給口、１５…ガス配管、１６，１８，２４，２６…連通孔、２０ａ，２０ｂ，２２ａ，２２ｂ…開口縁、２０，２２…流路、３２，３４…連通路、ＧＡ…シールドガス、ＧＢ…ドライエア、ＬＳ…レーザ光、Ｗ…加工対象物。

Claims (4)

1. 加工対象物にレーザ光を照射することによって前記加工対象物を加工するレーザ加工装置に用いられるレーザ加工ヘッドであって、
   集光光学系により集光された前記レーザ光の光軸とレーザ加工用ガスの噴出軸とが同軸になるように噴出孔が形成されているノズルと、
   前記ノズルの周囲に設けられ、その両端が開口されてなる流路と、
   前記流路の中途において、前記レーザ加工用ガスが充填される前記ノズルの内室と前記流路とを連通する連通路と、を備えるレーザ加工ヘッド。
2. 前記連通路が前記内室に臨む連通孔と前記噴出孔との間の距離は、前記連通孔と前記集光光学系との間の距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記ノズルには前記連通孔が複数形成されており、当該複数の連通孔はそれぞれ前記噴出軸周りに略等間隔で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. レーザ光の光軸と同軸にレーザ加工用ガスを噴出するレーザ加工ヘッドを用いて、加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物に前記レーザ光を照射しながら前記レーザ加工用ガスを噴出し、前記加工対象物を加工する加工工程と、
   前記レーザ加工用ガスが充填される前記レーザ加工ヘッドの内室に中途が連通している流路の一端から他端に向けて気体を流入させる負圧発生工程と、
   を有するレーザ加工方法。

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