JP2012232314A - レーザー加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不活性ガスを用いることなく、プラズマプルームのレーザー光に対する影響を除くと共に、レーザー光照射部の酸化防止が可能なレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】レーザーノズル１の外筒部１ｂには、内部が環状吸引路５ａとなっている環状吸引部５が連結されている。環状吸引路５ａと、外筒部１ｂの内部空間とは、外筒部１ｂに設けられた複数箇所（本実施形態では４箇所）の連通孔７により連通している。真空ポンプ９により吸引される時、空気８が、先端１ｅとワーク１２との間を中心方向に向かうと共に開口部１ｄに流れ込む。この時、照射部１１及びその近傍に負圧部１０が生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光を照射して、ワークの溶断或いは溶接等の加工を行うレーザー加工装置に関する。

一般に、レーザー光の照射により、ワークの溶断或いは溶接等を行うレーザー加工においては、良好な加工を行うために解決すべき課題が種々存在する。例えば、レーザー光照射部から発生する、プラズマプルームと称される、一部イオン化したプラズマを含む金属蒸気に関るものがある。プラズマプルームは、レーザー光を吸収したり屈折させたりする。このため、プラズマプルームにより、レーザー光エネルギーの有効活用が妨げられてロスが生じ、レーザー加工装置の加工能力が低下することになる。従って、レーザー加工において発生するプラズマプルームは、その量を減じられたり、除去されたりすることが好ましい。

また、酸化により、レーザー光照射部における見栄えの劣化や材質劣化がもたらされる問題があげられる。この酸化を防止するためには、レーザー光照射部の近傍において酸素を遮断したり酸素の量を減じたりする必要がある。このため、レーザー光照射部に不活性ガスを供給することが、種々方法により行われている。この不活性ガスの供給は、レーザー光照射部から発生したプラズマプルームを吹き飛ばして除去する効果を同時にもたらす。なお、不活性ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス、アルゴン・ヘリウム混合ガス、ヘリウム・窒素混合ガス、炭酸ガス、アルゴン・酸素混合ガス等があげられる。

特許文献１に開示されているレーザー加工装置は、図９に示すように、鏡面８１の反射によって集光させたレーザー光８２をワーク８５に照射して加工するものである。この装置においては、レーザー光８２を取り囲んで環状ノズル８４が設けられている。そして、この環状ノズル８４よりワーク８５のレーザー光照射部に向けて不活性ガス８３が吹き付けられるようになっている。この不活性ガス８３の吹き付けにより、プラズマプルームの発生を抑えたり除去したりすると共に、レーザー光照射部の酸化を防止している。

特許文献２に開示されているレーザー溶接装置は、図１０に示すように、レーザーノズル９１内に不活性ガス９３を導入する際、その不活性ガス９３の導入口９２をレーザーノズル９１の中心に対して偏心した位置に設けている。そして、偏心した導入口９２から導入されて旋回流９４となった不活性ガス９３をレーザー光照射部９５の周囲に吹き付けて、レーザー光照射部９５とその近傍を負圧とするようになっている。この負圧により、プラズマプルームはレーザー光照射部９５から外方へ吸い出されるので、プラズマプルームによるレーザー光エネルギーのロスが防止される。また、大気の侵入が妨げられるのでレーザー光照射部９５の酸化が防止されるようになっている。

特開昭５６−１５１１９１号公報 特開２０００−３１７６７１号公報

上記特許文献１、２における装置では、いずれも不活性ガスを用い、その不活性ガスを直接レーザー光照射部へ吹き付けたり、レーザー光照射部の周囲へ旋回流として吹き付けたりしている。このため、不活性ガスを用いるために、レーザー加工におけるコストが嵩む問題がある。また、上記の不活性ガスには、窒素等の一部を除き、大気中に不必要に放出すべきではないと思われるものが含まれるので、レーザー加工が環境問題を伴うことになる虞がある。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、不活性ガスを用いることなく、プラズマプルームのレーザー光に対する影響を除くと共に、レーザー光照射部の酸化防止が可能なレーザー加工装置を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載のレーザー加工装置の発明は、ワークにレーザー光を照射して、前記ワークを加工するレーザー加工装置において、開口部から奥行方向に向かって拡径するように内部が形成されたレーザーノズルと、前記開口部から空気を吸引するための吸引手段とを備えたことを特徴とするものである。

上記構成によれば、レーザーノズルの内部が開口部から奥行方向に拡径されていると共に、レーザーノズルの内部に空気を吸引する吸引手段が備えられている。このため、吸引手段によりレーザーノズルの内部に吸引された空気は、開口部を通過する際、その開口部により絞られるため、流速が最も速くなる。すると、高速の空気流により開口部とワークとの間に負圧部が生じるので、その負圧部における酸素を含む空気が希薄となり、ワークのレーザー光照射部の酸化が防止される。また、レーザー光照射部において発生したプラズマプルームは、空気流により吸い出されて除去されるので、レーザー光エネルギーのロスが防止される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザー加工装置において、前記吸引手段が、外側から中心側へ向かう空気流を、前記レーザーノズルの先端と前記ワークとの間に生じさせることにより、前記レーザー光が照射される照射部及びその近傍に負圧部が生成されることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザー加工装置において、前記レーザーノズルには、環状ノズル部が備えられていることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のうちいずれか一項に記載のレーザー加工装置において、前記レーザーノズルには、外方へ延在したフランジ部が備えられていることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項２ないし４のうちいずれか一項に記載のレーザー加工装置において、前記レーザーノズルには、前記空気流を旋回させるための旋回手段が備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザーノズル内に吸引される高速の空気流により、開口部とワークとの間に生成させた負圧部において、酸素量を少なくすることができる。このため、不活性ガスを用いることなく、レーザー光照射部におけるワークの酸化防止が可能なレーザー加工機を提供することができる。

第１実施形態のレーザーノズルを示す断面図。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面図。 第２実施形態のレーザーノズルを示す断面図。 図３におけるＢ−Ｂ矢視断面図。 第３実施形態のレーザーノズルを示す断面図。 図５におけるＣ−Ｃ矢視断面図。 第４実施形態におけるレーザーノズルを示す、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ矢視図。 第５実施形態におけるレーザーノズルを示す、（ａ）は一部断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ矢視図。 従来技術のレーザー加工装置を示す断面図。 他の従来技術のレーザーノズルを示す斜視図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態のレーザー加工装置のレーザーノズル１は、レンズ４を有するホルダ部１ａと、そのホルダ部１ａの下端に連結する外筒部１ｂとを備えている。外筒部１ｂは、その先端１ｅの開口部１ｄからホルダ部１ａ側に向かって、即ち奥行方向に向かって拡径する筒状体である。

図１及び図２に示すように、外筒部１ｂには、内部が環状吸引路５ａとなっている環状吸引部５が連結され、その環状吸引部５と、吸引手段としての真空ポンプ９とが、内部に吸引路６ａを有する吸引部６を介して、連通している。吸引部６は、図２に示すように、外筒部１ｂの中心を指向するように配置されている。そして、吸引部６と真空ポンプ９との間には、真空ポンプ９の作動に際して開閉されるバルブ９ａが設けられている。また、環状吸引路５ａと、外筒部１ｂの内部空間とは、外筒部１ｂに設けられた複数箇所（本実施形態では４箇所）の連通孔７により連通している。そして、レーザー発振器２から出力されたレーザー光３は、レンズ４により集束されて、外筒部１ｂ先端の開口部１ｄを通って、ワーク１２の照射部１１に照射されるようになっている。

次に、レーザーノズル１を用いたワーク１２のレーザー加工について説明する。
先ず、レーザー発振器２からレーザー光３を出力する前に、レーザーノズル１の先端１ｅとワーク１２との間の隙間が、レーザーノズル１の上下動により、所定の間隔となるように調整される。そして、バルブ９ａ開のもとに、真空ポンプ９が作動されて、開口部１ｄを介して吸引された空気８は、外筒部１ｂの内壁面１ｃに沿って流れて、連通孔７から環状吸引路５ａ内に流入する。環状吸引部５内に流入した空気８は、吸引路６ａ及びバルブ９ａを介して真空ポンプ９に吸引される。その後、レーザー発振器２から出力されたレーザー光３によりワーク１２が加工される。

上記のようにして行われるレーザー加工において、レーザーノズル１の先端１ｅとワーク１２との間の前記隙間が所定間隔に調整されていれば、開口部１ｄから吸引される空気８は、この隙間において高速流となる。また、この高速流の空気８は、外側から中心側へ向かうように流れて、開口部１ｄにより絞られるため、高速流に囲まれた領域である照射部１１及びその近傍には、負圧部１０が生成される。

この負圧部１０は、空気８の流れが速ければ速いほど、真空状態に近くなる。そして、負圧部１０では空気８が希薄となるため、照射部１１においてワーク１２を酸化させる酸素の量も少なくなる。従って、不活性ガスを用いないにも関らず、照射部１１におけるワーク１２の酸化が防止される。また、照射部１１において発生したプラズマプルームは、空気８の高速流に吸い出されるので、負圧部１０に留まったり、レーザー光３の光路に漂ったりすることがない。即ち、プラズマプルームは、空気８の高速流に吸い出された後、内壁面１ｃに沿って流れる空気８と共に、環状吸引路５ａ及び吸引路６ａを介して真空ポンプ９に至る。このため、レーザー光３のエネルギーは、プラズマプルームに吸収されたり屈折されたりせずに、レーザー加工に有効に費やされる。更に、図示しないフィルターを真空ポンプ９に至る途中の空気８の流路に配置すれば、プラズマプルームは、大気中に放出されずに捕捉されるので、環境問題を起こす虞がない。

なお、上記実施形態では、連通孔７を４箇所に設けたが、連通孔７を設ける箇所は４箇所に限らない。連通孔７は、４箇所以外の複数箇所に設けることが好ましいが、１箇所とすることもできる。また、環状吸引路５ａと外筒部１ｂの内部空間とが、外筒部１ｂに設けた図示しない環状スリットにより連通されるようにしてもよい。この場合、前記環状スリットで分断された外筒部１ｂは環状吸引部５により連結されることになる。

また、吸引手段としては真空ポンプ９に限らず、ブロアーを用いるようにしても良い。ブロアーの選定により、レーザーノズル１の先端１ｅとワーク１２との間の隙間が比較的広い場合であっても、より高速で空気８を吸引することが可能となる。

従って、上記第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、レーザーノズル１の外筒部１ｂを、その先端１ｅの開口部１ｄから奥行方向に向かって拡径する筒状体として、レーザーノズル１内に吸引される空気８の流れが、開口部１ｄにおいて絞られるようにした。この絞られた開口部１ｄにより、また、外筒部１ｂの先端１ｅとワーク１２との間の隙間を所定間隔とすることにより、その隙間を流れる空気８が高速流となるようにした。この空気８の高速流により、ワーク１２の照射部１１及びその近傍には負圧部１０が生成される。このため、負圧部１０の酸素濃度が希薄となるため、不活性ガスを用いることなく、照射部１１における酸化を防止することができる。また、照射部１１から発生したプラズマプルームは、負圧部１０から空気８に吸い出される。このため、レーザー光３のエネルギーを、レーザー加工に有効に費やすことができる。

（２）上記実施形態では、外筒部１ｂに環状吸引部５を連結して、その環状吸引部５と真空ポンプ９とが、吸引部６を介して連通するようにした。また、環状吸引部５の環状吸引路５ａと、外筒部１ｂの内部空間とを、外筒部１ｂに設けられた複数箇所の連通孔７により連通するようにした。このため、外筒部１ｂの開口部１ｄから吸引された空気８は、内壁面１ｃに沿って流れるので、空気８に吸い出されたプラズマプルームが外筒部１ｂの内部空間に漂うことを防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２実施形態を、第１実施形態と異なる部分を中心に図３及び図４を用いて説明する。

本実施形態のレーザー加工装置のレーザーノズル２０においては、外筒部１ｂの内部空間と真空ポンプ９とは、内部に吸引路６１ａを有する吸引部６１を介して連通している。この吸引部６１は、図４に示すように、吸引路６１ａが外筒部１ｂの内壁面１ｃの接線方向に沿うように配置されている。換言すれば、吸引部６１は、外筒部１ｂの中心に対して偏心して配置されている。この偏心配置された吸引路６１ａを有する吸引部６１が、本実施形態における旋回手段となる。

そして、真空ポンプ９の作動により開口部１ｄから吸引される空気８は、外筒部１ｂ内部を通過して、偏心配置された吸引路６１ａの連通孔７１から吸引されるので、空気８の流れは、内壁面１ｃに沿うようにして流れる旋回流８０となる。このため、外筒部１ｂの先端１ｅと１２との間の隙間を流れる空気８も旋回しながら開口部１ｄ内に流入するようになる。従って、高速であると共に旋回して流れる空気８により、照射部１１及びその近傍には、より確実に負圧部１０が生成される。この負圧部１０は、旋回流８０となった空気８の高速流により、その負圧度合いが高められる。

従って、この負圧部１０により、照射部１１における酸化がより効率的に防止される。また、プラズマプルームは、旋回流８０となった空気８に容易に吸い出されるので、レーザー加工がより効率的に行われる。

なお、上記実施形態では、偏心した吸引路６１ａへの連通孔７１を１箇所に設けるようにしたが、吸引路６１ａと共に連通孔７１を、同一高さ或いは異なる高さの位置の複数箇所に設けるようにしてもよい。この複数箇所の連通孔７１は、より高速の旋回流８０が生じるように配置されることが望ましい。

そして、この第２実施形態においては、第１実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（３）上記実施形態では、外筒部１ｂの中心に対して偏心した位置に吸引部６１を配置して、真空ポンプ９により吸引された空気８が、外筒部１ｂの内壁面１ｃに沿った旋回流８０となるようにした。このため、レーザーノズル１の先端１ｅとワーク１２との間の隙間を流れる空気８は、高速流且つ旋回流となる。従って、負圧度合いが高い負圧部１０が生成されるので、照射部１１における酸化を、より効率的に防止することができる。また、プラズマプルームを容易に吸い出すことができるので、レーザー加工を、より効率的に行うことができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３実施形態を、第１、２実施形態と異なる部分を中心に図５及び図６を用いて説明する。

本実施形態のレーザー加工装置のレーザーノズル３０においては、外筒部３０ｂの内側に内筒部３１が配置され、外筒部３０ｂの内壁面３０ｃと内筒部３１の外壁面３１ａとの間に空気８が流通する流通路３２が設けられている。この流通路３２が、環状ノズル部を構成している。流通路３２と真空ポンプ９とは、内部に吸引路６１ａを有する吸引部６１を介して連通している。この吸引部６１は、図６に示すように、吸引路６１ａが外筒部３０ｂの内壁面３０ｃの接線方向に沿うように配置されている。換言すれば、第２実施形態と同様に、吸引部６１は、外筒部３０ｂの中心に対して偏心して配置されている。また、同様に、この吸引部６１が旋回手段となる。

そして、真空ポンプ９の作動により開口部１ｄから吸引される空気８は、流通路３２を通過して、偏心配置された吸引路６１ａの連通孔７１から吸引されるので、空気８の流れは、流通路３２内において旋回流８０となる。本実施形態の旋回流８０は、内壁面３０ｃと外壁面３１ａとで形成された環状隙間を流れるので、より高速で且つ確実に旋回する空気８の流れにより発生する。このため、高速旋回流となって開口部３０ｄに流れ込む空気８により、照射部１１及びその近傍には、更により確実に負圧度合いが高められた負圧部１０が生成される。

なお、本実施形態においても、偏心した吸引路６１ａへの連通孔７１を１箇所に設けるようにしたが、吸引路６１ａと共に連通孔７１を、同一高さ或いは異なる高さの位置の複数箇所において、流通路３２に臨むように設けるようにしてもよい。

そして、この第３実施形態においては、第１、２実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（４）上記実施形態では、レーザーノズル３０が、外筒部３０ｂの内側に配置された内筒部３１の外壁面３１ａと、外筒部３０ｂの内壁面３０ｃとの間に流通路３２を有する環状ノズルとなるようにした。そして、偏心配置された吸引部６１の連通孔７１から吸引される空気８により、流通路３２には、高速且つ確実に旋回する旋回流８０が発生される。このため、高速旋回流となって流れる空気８により、照射部１１及びその近傍には、更により確実に負圧度合いが高められた負圧部１０を生成することができる。

（第４及び第５の実施形態）
次に、本発明を具体化した第４、５実施形態を、第１〜３実施形態と異なる部分を中心に図７及び図８を用いて説明する。

図７に示すように、第４実施形態においては、第１実施形態のレーザーノズル１及び第２実施形態のレーザーノズル２０とは異なり、その先端１ｅ（図１、３参照）に、外方へ延在したフランジ部４０が備えられている。そして、図７（ｂ）に示すようにフランジ部４０のワーク１２に臨む側には、複数箇所（本実施形態では６箇所）に旋回手段としての突条部４１が渦巻き状に配置されている。このため、空気８が開口部１ｄ内に吸引される時、フランジ部４０とワーク１２との間の隙間を中心側へ向かって流れる空気８は、突条部４１に案内されて旋回する。

更に、レーザーノズル２０においては、突条部４１を有するフランジ部４０が備えられた場合、偏心配置された吸引部６１と渦巻状に配置された突条部４１とにより、空気８は強い旋回流となる。このため、負圧度が高められた負圧部１０の生成やプラズマプルームの吸出しがより効率的に行われる。

また、図８に示すように、第５実施形態においては、第３実施形態のレーザーノズル３０とは異なり、その先端３０ｅ（図５参照）には、第４実施形態と同様の突条部４１を有するフランジ部４０が備えられている。このため、空気８が開口部３０ｄ内に吸引される時、フランジ部４０とワーク１２との間の隙間を中心側へ向かって流れる空気８は、突条部４１に案内されて旋回流となる。この旋回流は、流通路３２内を流れる旋回流８０により、加速された旋回流となるので、負圧度が高められた負圧部１０の生成やプラズマプルームの吸出しがより効率的に行われる。

なお、図７（ｂ）及び図８（ｂ）において、突条部４１の渦巻き方向が時計方向となっているが、突条部４１の渦巻き方向を半時計方向とすることもできる。いずれの場合であっても、レーザーノズル２０或いはレーザーノズル３０おいては、それらの吸引部６１により発生される旋回流８０の旋回方向と、突条部４１の渦巻き方向とが一致するように、渦巻き方向が選択されることが好ましい。

また、突条部４１の配置箇所は６箇所に限らず、複数箇所であれば、空気８の流れの抵抗とならない範囲において、何箇所であってもよい。
（５）上記実施形態では、レーザーノズル１、２０、３０の先端に、外方へ延在したフランジ部４０が備えられるようにした。そして、フランジ部４０のワーク１２に臨む側には、複数箇所に旋回手段としての突条部４１を渦巻き状に配置するようにした。このため、空気８が開口部１ｄ、３０ｄ内に吸引される時、フランジ部４０とワーク１２との間の隙間を中心側へ向かって流れる空気８は、突条部４１に案内されて旋回流となる。従って、フランジ部４０に渦巻状に配置された突条部４１を設ける簡単な構成で旋回流を発生させることができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 第１実施形態では、吸引部６を１箇所に設けたが、複数箇所に設けること。
・ 第２実施形態では、吸引路６１ａを外筒部１ｂの内壁面１ｃの接線方向に沿うように配置したが、接線方向に沿う位置と、外筒部１ｂの中心を指向する位置との間で、外筒部１ｂの中心に対して偏心した位置に配置すること。
・ 第３実施形態では、吸引路６１ａを外筒部３０ｂの内壁面３０ｃの接線方向に沿うように配置したが、接線方向に沿う位置と、外筒部３０ｂの中心を指向する位置との間で、外筒部３０ｂの中心に対して偏心した位置に配置すること。
・ 第４、５実施形態では、突条部４１を直線状としたが、突条部４１を渦巻き方向に沿った曲線状とすること。

１，２０，３０…レーザーノズル、１ｄ，３０ｄ…開口部、３…レーザー光、８…空気、１０…負圧部、１１…照射部、１２…ワーク、４０…フランジ部。

Claims (5)

1. ワークにレーザー光を照射して、前記ワークを加工するレーザー加工装置において、開口部から奥行方向に向かって拡径するように内部が形成されたレーザーノズルと、前記開口部から空気を吸引するための吸引手段とを備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
2. 前記吸引手段が、外側から中心側へ向かう空気流を、前記レーザーノズルの先端と前記ワークとの間に生じさせることにより、前記レーザー光が照射される照射部及びその近傍に負圧部が生成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
3. 前記レーザーノズルには、環状ノズル部が備えられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
4. 前記レーザーノズルには、外方へ延在したフランジ部が備えられていることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
5. 前記レーザーノズルには、前記空気流を旋回させるための旋回手段が備えられていることを特徴とする請求項２ないし４のうちいずれか一項に記載のレーザー加工装置。

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