JP2009241138A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射された液柱に対する外乱を十分に抑制することができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】本発明は、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置（１）であって、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズル（１８）と、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系（４）と、ジェットノズルから噴射された液柱を、その基端から取り囲むように配置され、被加工物に向けてアシストガスを噴射するアシストガスノズル（２０）と、このアシストガスノズル内に形成されたアシストガス供給口（２０ｃ）に、アシストガスを流入させるアシストガス供給通路と、アシストガスノズルのアシストガス供給口よりも下流側に設けられ、アシストガス供給口から流入したアシストガスの流れを整流する、ほぼ円筒形の内壁面によって構成される長細いアシストガス整流部（２０ｂ）と、を有することを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工装置に関し、特に、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置に関する。

特開２０００−３３４５９０号公報（特許文献１）には、レーザー加工装置の加工ヘッドが記載されている。このレーザー加工装置は、液体噴射ノズルから液体を噴射させると共に、この液体噴流の中にレーザーを集光させて導入し、液体噴流の液柱により導かれたレーザーによって被加工物を加工するものである。また、同公報には、液体噴射ノズルの外側に同軸上にガス噴射用のガスノズルを設けたレーザー加工装置も記載されている。このレーザー加工装置では、液体噴射ノズルの出口開口と同一平面上に、同心円状にガスノズルの出口開口が設けられ、噴射された液柱の周囲にガス流を形成している。このガス流により、噴射された液柱の広がりを抑制し、液柱の距離をより長くしている。

また、国際出願公開ＷＯ２００６／０５０６２２号公報（特許文献２）には、材料加工用の液体噴流の生成装置が記載されている。この装置では、液体を噴射するノズルの下方に、中間部の直径が太くなった算盤玉状のハウジングが配置されており、ノズルから噴射された液体は、このハウジングの中を通って被加工物に到達する。また、ハウジング中間部の大径部分からハウジング内に気体が導入され、この気体は液体噴流の周囲を取り囲みながら、直径が小さくなったハウジング下端の開口から噴射される。この液体噴流の周囲の気体の流れにより、液柱の距離をより長くしている。

特開２０００−３３４５９０号公報 国際出願公開ＷＯ２００６／０５０６２２号公報

しかしながら、特開２０００−３３４５９０号公報や、国際出願公開ＷＯ２００６／０５０６２２号公報に記載の装置においては、液柱が乱れることなく到達することができる距離を十分に伸ばすことができないという問題がある。

また、噴射された液柱は、被加工物に当たって跳ね返った液体によっても乱され、また、被加工物上にできる液体の溜まり等によっても乱され、レーザーを効率良く被加工物に到達させることができないという問題がある。

従って、本発明は、噴射された液柱に対する外乱を十分に抑制することができるレーザー加工装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、ジェットノズルから噴射された液柱を、その基端から取り囲むように配置され、被加工物に向けてアシストガスを噴射するアシストガスノズルと、このアシストガスノズル内に形成されたアシストガス供給口に、アシストガスを流入させるアシストガス供給通路と、アシストガスノズルのアシストガス供給口よりも下流側に設けられ、アシストガス供給口から流入したアシストガスの流れを整流する、ほぼ円筒形の内壁面によって構成される長細いアシストガス整流部と、を有することを特徴としている。

このように構成された本発明においては、ジェットノズルから液体が噴射され液柱が形成される。レーザー光学系は液柱内にレーザーを集光させ、集光されたレーザーは、液体噴流により被加工物まで導かれる。また、アシストガスノズルが、噴射された液柱をその基端から取り囲むように配置される。アシストガスノズル内に形成されたアシストガス供給口にはアシストガスが供給される。アシストガスは、アシストガス整流部により整流され、アシストガスノズルから被加工物に向けて噴射される。

このように構成された本発明によれば、アシストガス整流部によりアシストガスの流れが整流され、液柱は整流されたアシストガスに取り囲まれて流れるので、液柱の流れが安定化される。これにより、液柱に対する外乱が十分に抑制されるので、レーザーの透過率が向上し、加工効率を向上させることができる。

本発明において、好ましくは、アシストガス整流部は、その内壁面が５゜以下のテーパ角で下流側に向けて広がるホーン形状である。
このように構成された本発明によれば、アシストガスの膨張力を利用して、アシストガスの流れを加速させることができる。

本発明において、好ましくは、アシストガス整流部の入口側の直径は、液柱の直径の１０倍乃至１００倍に構成されている。
このように構成された本発明によれば、液柱の周囲に適正な厚さのアシストガスの流れが形成されるので、液柱に対する外乱を効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、アシストガス整流部の長さは、アシストガス整流部の入口側の直径の５倍以上である。
このように構成された本発明によれば、アシストガス整流部内においてアシストガスの流れを十分に整流することができるので、液柱の乱れを効果的に抑制することができる。

本発明において、好ましくは、アシストガスノズルは、その先端部において、外径が先端に向けて細くなるように構成されている。
このように構成された本発明によれば、被加工物から跳ね返った液体が、アシストガスノズルの先端部に溜まりにくいので、先端部に溜まった液体が落下することによる外乱を抑制することができる。

本発明において、好ましくは、さらに、アシストガス供給口に供給するガス圧を変化させるためのガス圧可変手段と、このガス圧可変手段を制御する制御手段と、を有し、この制御手段は、レーザー加工を開始する直前にアシストガスノズルからアシストガスを一旦高圧で噴射させ、レーザー加工開始後は、高圧よりも低い圧力でアシストガスを噴射させる。

このように構成された本発明によれば、レーザー加工の開始直前にアシストガスが一旦高圧で噴射されるので、被加工物上面の液体溜り等を除去することができ、液体溜り等によるレーザーの散乱を防止することができる。

本発明のレーザー加工装置によれば、噴射された液柱に対する外乱を十分に抑制することができる。

次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図１及び図２を参照して、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置を説明する。図１は、本実施形態によるレーザー加工装置全体の構成を示す図である。図２は、本実施形態のレーザー加工装置のアシストガスノズルの部分を拡大して示す断面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２と、このレーザー加工ヘッド２内の所定の位置にレーザーを集光させるレーザー光学系４と、このレーザー光学系４にレーザーを入射させるレーザー源６と、を有する。さらに、レーザー加工装置１は、レーザー加工ヘッド２に高圧水を送り込む加圧ポンプ８と、レーザー加工ヘッド２に加圧した空気を送り込むエアポンプ１０と、このエアポンプ１０からレーザー加工ヘッド２に送られる空気圧力を調整するガス圧可変手段であるコントロールバルブ１２と、を有する。また、レーザー加工装置１は、レーザー源６、加圧ポンプ８、エアポンプ１０及びコントロールバルブ１２を制御する制御手段であるコントローラ１４と、を有する。

また、レーザー加工ヘッド２は、ヘッド本体部１６と、このヘッド本体部１６に取り付けられたジェットノズル１８と、このジェットノズル１８の下流側に配置されたアシストガスノズル２０と、を有する。

レーザー光学系４は、レーザー源６から射出されたレーザーを、レーザー加工ヘッド２に導くと共に、このレーザーをジェットノズル１８の入口部分に集光させるように構成されている。なお、図１においては、レーザー光学系４は模式化して図示されており、レーザーを最終的に集光させる１枚のレンズのみ示している。レーザー光学系４によりジェットノズル１８の入口部分に集光されたレーザーは、ジェットノズル１８から噴射される水柱（液柱）内で全反射を繰り返し、水柱により被加工物（図示せず）まで導かれる。

レーザー源６は、コントローラ１４からの制御信号に基づいて、所定強度のレーザーを生成するように構成されている。なお、本実施形態においては、レーザーとしてグリーンレーザーを使用している。

加圧ポンプ８は、コントローラ１４からの制御信号に基づいて水を所定の圧力に加圧し、レーザー加工ヘッド２のヘッド本体部１６内に流入させるように構成されている。ヘッド本体部１６に送り込まれた水は、ジェットノズル１８から噴射され、水柱を形成する。

エアポンプ１０は、コントローラ１４からの制御信号に基づいて、空気を加圧し、コントロールバルブ１２に送り込むように構成されている。
コントロールバルブ１２は、供給するガス圧を変化させるように構成されており、コントローラ１４からの制御信号に基づいて、エアポンプ１０から供給された空気を所定の圧力に調整して、ヘッド本体部１６に送り込む。コントロールバルブ１２として、マルチポイントバルブ、サーボバルブ等を使用することができる。また、コントロールバルブ１２を、レーザー加工ヘッド２の移動を制御するＮＣ制御装置等により制御しても良い。

コントローラ１４は、レーザー源６、加圧ポンプ８、エアポンプ１０及びコントロールバルブ１２を所定の設定条件及びタイミングで作動させ、被加工物を加工するように構成されている。具体的には、コントローラ１４は、各種信号の入出力インターフェイス、メモリ、マイクロプロセッサ、及びこれらを作動させるプログラム等により構成されている。

ヘッド本体部１６は、その内部に液体供給チャンバ１６ａが形成されており、この液体供給チャンバ１６ａに連通するように液体供給通路１６ｂが形成されている。また、液体供給チャンバ１６ａの底部には、液体供給チャンバ１６ａに連通するようにジェットノズル受入凹部１６ｃが形成され、その中にジェットノズル１８が配置されている。さらに、液体供給チャンバ１６ａの上端には、レーザー光学系４から射出されたレーザーを透過させ、ジェットノズル１８の入口部まで導くための窓部材２２が取り付けられている。加圧ポンプ８から送られた水は、液体供給通路１６ｂを通って液体供給チャンバ１６ａに流入し、ジェットノズル１８から噴射される。

さらに、ヘッド本体部１６には、コントロールバルブ１２から送られた空気を導くためのアシストガス供給通路１６ｄが形成されている。このアシストガス供給通路１６ｄは、ヘッド本体部１６の底面に形成されたアシストガスノズル受入凹部１６ｅに連通している。また、アシストガスノズル受入凹部１６ｅは、ジェットノズル受入凹部１６ｃにも連通するように構成され、これにより、アシストガスノズル受入凹部１６ｅはジェットノズル受入凹部１６ｃを介して液体供給チャンバ１６ａに連通されている。

ジェットノズル１８は、概ね円柱形の部材であり、その中心軸線上にノズル穴が形成されている。ノズル穴は、直径が小さく円筒状に延びる円筒形部分１８ａと、この円筒形部分１８ａに連なり、下流側に向かって直径が拡張されている円錐状部分１８ｂから構成されている。ジェットノズル１８は、ヘッド本体部１６のジェットノズル受入凹部１６ｃ内に配置されている。また、ジェットノズル受入凹部１６ｃの側壁面とジェットノズル１８の間にはＯリングが配置され、それらの間の水密性が確保されている。

液体供給通路１６ｂを通って液体供給チャンバ１６ａに流入した加圧水は、ジェットノズル１８の円筒形部分１８ａ、円錐状部分１８ｂを通って噴射される。なお、ジェットノズル１８から噴射され、形成される液柱の直径は、円筒形部分１８ａの直径とほぼ同一になる。本実施形態においては、円筒形部分１８ａの直径は約０．１ｍｍ、長さは約０．１ｍｍであり、好ましくは、円筒形部分１８ａの直径を０．０２乃至０．５ｍｍにする。

アシストガスノズル２０は、ヘッド本体部１６のアシストガスノズル受入凹部１６ｅに受け入れられる基部と、この基部から下方に向けて突出する突出部を有する概ね段付き円柱状の部材であり、その中心軸線上にガスノズル穴が形成されている。また、アシストガスノズル２０は、その中心軸線がジェットノズル１８の中心軸線と整合するように配置されている。さらに、アシストガスノズル２０は、その上端面がジェットノズル１８の下端面と当接するように配置されているので、ガスノズル穴は、ジェットノズル１８から噴射された液柱をその基端から取り囲むように配置される。

また、ガスノズル穴は、その全長に亘って一定の直径を有する円筒状に構成されており、ジェットノズル１８に隣接する基部２０ａと、基部２０ａの下流側に形成されているアシストガス整流部２０ｂと、を有する。さらに、基部２０ａとアシストガス整流部２０ｂの間には、環状のアシストガス供給口２０ｃが形成されている。このアシストガス供給口２０ｃは、アシストガスノズル２０に形成されたアシストガス供給通路２０ｄに連通されている。

この構成により、コントロールバルブ１２からヘッド本体部１６のアシストガス供給通路１６ｄに流入した加圧空気は、アシストガスノズル受入凹部１６ｅ、アシストガス供給通路２０ｄを通ってアシストガス供給口２０ｃからガスノズル穴に流入される。アシストガス供給口２０ｃからガスノズル穴に流入した空気は、ほぼ円筒形の内壁面によって構成される細長いアシストガス整流部２０ｂによって整流され、アシストガスノズル２０の下端から被加工物に向けて噴射される。

なお、本実施形態においては、アシストガス整流部２０ｂの長さＬは、１５ｍｍであり、好ましくは、アシストガス整流部２０ｂの長さＬは３乃至４０ｍｍにする。また、本実施形態においては、アシストガス整流部２０ｂの直径Ｄは約２ｍｍであり、好ましくは、アシストガス整流部２０ｂの直径Ｄは、ジェットノズル１８の円筒形部分１８ａの直径、即ち、液柱の直径ｄの１０乃至１００倍にする。また、アシストガス整流部２０ｂの長さＬは、アシストガス整流部２０ｂの直径Ｄの５乃至１００倍であるのが良い。従って、アシストガス整流部２０ｂの長さＬは、液柱の直径ｄの５０乃至１０００倍程度であるのが良い。

何れの場合にも、アシストガス整流部２０ｂの長さＬが短すぎると、アシストガスを整流する効果を十分に得ることができず、また、被加工物に当たって跳ね返った水が逆流するのを防止することができない。また、アシストガス整流部２０ｂの長さＬが長すぎると、ジェットノズル１８と被加工物の間の距離が長くなりすぎるため加工効率の低下を招く。

次に、本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置１の作用を説明する。
まず、被加工物（図示せず）を、レーザー加工ヘッド２の下方の所定の位置にセットする。次に、レーザー加工ヘッド２を、被加工物の加工を開始する位置に移動させる。コントローラ１４は、まず、コントロールバルブ１２に信号制御を送り、エアポンプ１０から供給された加圧空気を、高圧でアシストガスノズル２０から噴射させる。即ち、コントロールバルブ１２を通過した空気は、ヘッド本体部１６のアシストガス供給通路１６ｄ、アシストガスノズル２０のアシストガス供給通路２０ｄ、アシストガス供給口２０ｃを通ってアシストガス整流部２０ｂに流入し、アシストガスノズル２０の先端から被加工物に向けて噴射される。

本実施形態においては、レーザー加工開始直前に、圧力約０．３ＭＰａの加圧空気が被加工物に向けて噴射される。好ましくは、０．１乃至０．５ＭＰａの加圧空気をレーザー加工開始直前に噴射する。この高圧の噴射により、被加工物上の水溜りや水膜が除去され、レーザー加工開始時の液柱の乱れが防止される。

次に、コントローラ１４は、コントロールバルブ１２に制御信号を送り、アシストガスノズル２０から噴射させる空気の圧力を低下させると共に、レーザー源６及び加圧ポンプ８に信号を送り、これらを起動させる。これにより、ジェットノズル１８から噴射される水により水柱が形成される。また、レーザー源６から射出されたレーザーは、レーザー光学系４によってレーザー加工ヘッド２に導かれ、レーザー加工ヘッド２に内蔵されたジェットノズル１８の入口部に集光される。集光されたレーザーは、水柱の内部で全反射を繰り返しながら被加工物に到達し、被加工物を加工する。本実施形態のレーザー加工装置１は、加工中にアシストガスノズル２０から噴射させる空気の圧力を、加工条件に合わせて約０．００１乃至０．１ＭＰａの範囲で設定できるように構成されている。

アシストガス供給口２０ｃからアシストガス整流部２０ｂに流入した空気は、ほぼ円筒形に構成されたアシストガス整流部２０ｂ内を水柱と共に平行に流れ、被加工物に到達までの水柱の乱れを抑制する。また、水柱と共に水柱の周囲に流れる空気により、加工点における水膜や、加工屑が除去される。これにより、水柱の乱れが防止され、水中内のレーザー透過率が低下するのを防止することができる。

本発明の第１実施形態のレーザー加工装置によれば、アシストガス整流部により空気の流れが整流され、水柱は整流された空気に取り囲まれて流れるので、水柱の流れが安定化される。これにより、水柱に対する外乱が十分に抑制されるので、レーザーの透過率が向上し、加工効率を向上させることができる。

また、本実施形態のレーザー加工装置によれば、アシストガス整流部の直径が、水柱の直径の約２０倍に構成されているので、水柱の周囲に適正な厚さの空気の流れが形成され、水柱に対する外乱を効果的に抑制することができる。

さらに、本実施形態のレーザー加工装置によれば、アシストガス整流部の長さがアシストガス整流部の直径の約７．５倍に構成されているので、空気の流れを十分に整流することができ、水柱の乱れを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態のレーザー加工装置によれば、レーザー加工の開始直前に空気が一旦高圧で噴射されるので、被加工物上面の水溜り等を除去することができ、水溜り等によるレーザーの散乱を防止することができる。

図３は、アシストガスノズルの先端形状の変形例を示す図である。アシストガスノズルの先端部の形状は、その外径Ｄ１が小さく形成されているのがよい。アシストガスノズルの先端から噴射され、被加工物に当たった水は被加工物からアシストガスノズルの端面に向かって跳ね返る。先端部の外径Ｄ１が大きい場合には、跳ね返った水が端面に水滴として溜まり、これが加工点に落下して、水柱に外乱を与えることがある。また、先端部の外径Ｄ１が大きい場合には、端面に当たった水が跳ね返り、アシストガス整流部内に逆流して水柱に外乱を与えることもある。

このような悪影響を、アシストガスノズルの先端部の形状により抑制することができる。図３（ａ）はアシストガスノズルの先端部において外径が先端に向けて細くなるようにテーパ形状にしたものであり、図３（ｂ）は先端面を平坦にしたものであり、図３（ｃ）は、外径が先端に向けて細くなるように先端面に丸味を付けたものである。

これらの変形例によれば、被加工物から跳ね返った水が、アシストガスノズルの先端部に溜まりにくいので、先端部に溜まった水が落下することによる外乱を抑制することができる。

次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置を説明する。本実施形態のレーザー加工装置は、アシストガスノズルの構成が、上述した第１実施形態とは異なる。従って、ここでは、本実施形態の第１実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の点については、説明を省略する。図４は、本実施形態のレーザー加工装置に使用されているアシストガスノズルの断面図である。

第１実施形態においては、アシストガスノズルのガスノズル穴は断面が一定の円筒形であったが、ガスノズル穴はほぼ円筒形であればよく、図４に示すように、ガスノズル穴のアシストガス整流部が僅かなテーパ角θを有していても良い。本実施形態においては、アシストガス整流部のテーパ角θは約１゜であり、このテーパ角θは約０乃至５゜にすることができる。

このように、アシストガス整流部を末広がりのホーン形状にすることにより、アシストガスの圧力が高い場合に、ガスの膨張力によりガスの流速を高めることができる。また、アシストガス整流部の好ましい長さは、アシストガス整流部の入口側の直径を基準として、第１実施形態の場合と同様になる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、ジェットノズルから噴射される液体として水が使用されていたが、噴射する液体として、シリコンオイル等、レーザーを導光することができる任意の液体を使用することができる。

また、上述した実施形態においては、アシストガスノズルから噴射するアシストガスとして空気が使用されていたが、アシストガスとして任意の気体を使用することができる。例えば、質量の小さいアシストガスを使用することにより、噴射される液体の流れを特に良くすることができる。また、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスをアシストガスとして使用することにより、被加工物の酸化を防止することができる。

本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置全体の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置のアシストガスノズルの部分を拡大して示す断面図である。 アシストガスノズルの先端形状の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態によるレーザー加工装置に使用されているアシストガスノズルの断面図である。

符号の説明

１ 本発明の第１実施形態によるレーザー加工装置
２ レーザー加工ヘッド
４ レーザー光学系
６ レーザー源
８ 加圧ポンプ
１０ エアポンプ
１２ コントロールバルブ（ガス圧可変手段）
１４ コントローラ（制御手段）
１６ ヘッド本体部
１６ａ 液体供給チャンバ
１６ｂ 液体供給通路
１６ｃ ジェットノズル受入凹部
１６ｄ アシストガス供給通路
１６ｅ アシストガスノズル受入凹部
１８ ジェットノズル
１８ａ 円筒形部分
１８ｂ 円錐状部分
２０ アシストガスノズル
２０ａ 基部
２０ｂ アシストガス整流部
２０ｃ アシストガス供給口
２０ｄ アシストガス供給通路
２２ 窓部材

Claims (6)

1. 液体噴流により導かれたレーザーにより被加工物を加工するレーザー加工装置であって、
   液体を噴射して液柱を形成するジェットノズルと、
   上記液柱内にレーザーを集光させるレーザー光学系と、
   上記ジェットノズルから噴射された液柱を、その基端から取り囲むように配置され、上記被加工物に向けてアシストガスを噴射するアシストガスノズルと、
   このアシストガスノズル内に形成されたアシストガス供給口に、アシストガスを流入させるアシストガス供給通路と、
   上記アシストガスノズルの上記アシストガス供給口よりも下流側に設けられ、上記アシストガス供給口から流入したアシストガスの流れを整流する、ほぼ円筒形の内壁面によって構成される長細いアシストガス整流部と、
   を有することを特徴とするレーザー加工装置。
2. 上記アシストガス整流部は、その内壁面が５゜以下のテーパ角で下流側に向けて広がるホーン形状である請求項１記載のレーザー加工装置。
3. 上記アシストガス整流部の入口側の直径が、上記液柱の直径の１０倍乃至１００倍に構成されている請求項１又は２記載のレーザー加工装置。
4. 上記アシストガス整流部の長さが、上記アシストガス整流部の入口側の直径の５倍以上である請求項１乃至３の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
5. 上記アシストガスノズルは、その先端部において、外径が先端に向けて細くなるように構成されている請求項１乃至４の何れか１項に記載のレーザー加工装置。
6. さらに、上記アシストガス供給口に供給するガス圧を変化させるためのガス圧可変手段と、このガス圧可変手段を制御する制御手段と、を有し、この制御手段は、レーザー加工を開始する直前に上記アシストガスノズルからアシストガスを一旦高圧で噴射させ、レーザー加工開始後は、上記高圧よりも低い圧力でアシストガスを噴射させる請求項１乃至５の何れか１項に記載のレーザー加工装置。

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