JP2014161895A - レーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で、スパッタによる加工不良を可及的に抑制することができ、複数の斜め孔を高品質且つ効率的に形成することを可能にする。
【解決手段】レーザ加工装置10は、不要物を除去するためのアシストガスを供給するとともに、レーザ光Lを入射角度で照射するためのレーザノズル30と、前記レーザ光Lの照射部位に対して、前記レーザ光Lが散乱する方向を覆って配置され、表面waから発生するスパッタを遮蔽するためのスパッタ遮蔽治具36と、前記レーザノズル30と前記スパッタ遮蔽治具36とを同期して移動させるための連結部材38とを備える。
【選択図】図2

Description

本発明は、被加工物の表面に対して傾斜する入射角度に設定されたレーザ光を、前記表面に照射することにより斜め孔を形成するレーザ加工装置に関する。
航空機エンジン、例えば、ガスタービンエンジンは、回転式圧縮機で燃焼用空気を圧縮して燃焼器に送り込むとともに、燃料を前記燃焼器に吹き込むことにより燃焼させている。その際に発生した高温高圧の燃焼ガスは、遠心式もしくは軸流式のタービンを回転させている。
このように、燃焼器は、燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させるため、相当な高温環境に曝されている。また、タービンブレードにおいても、同様の課題が指摘されている。そこで、例えば、燃焼器の表面温度を低下させて冷却効果を高めるため、前記燃焼器の表面に斜めに加工された冷却孔を設け、2次空気を該燃焼器内に取り込む構成が採用されている(特許文献1及び2)。
上記の特許文献1及び2では、レーザ光を燃焼器の加工面に照射して斜め孔である冷却孔を形成している。その際、レーザ光が加工面で反射することにより、スパッタが発生し易くなる。従って、次に加工する加工面にレーザ光による溶融物(以下、ドロスともいう)が設けられてしまう場合が多い。これにより、レーザ光の照射による加工精度が低下したり、加工時間が長くなったりするという問題がある。
さらに、斜め孔である冷却孔を長尺化するために、レーザ光の入射角度を相当に小さく設定する場合がある。このため、ワークの加工される肉厚が増加し、レーザ光による加工時間が長くなって(又は照射回数が増加して)、ドロスが一層発生し易くなるおそれがある。
そこで、例えば、特許文献3に開示されているように、孔のテーパ形状を制御するとともに、バリの発生や飛散物の付着を防止するために、ワーク表面に犠牲層を設ける技術が知られている。
米国特許出願公開第2008/0223835号明細書 米国特許出願公開第2012/0051941号明細書 米国特許出願公開第2009/0151996号明細書
しかしながら、上記の特許文献3では、レーザ加工を行った後、犠牲層を除去する必要がある。このため、加工工数が増加するとともに、高品質なレーザ加工を効率的に遂行することができないという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、スパッタによる加工不良を可及的に抑制することができ、複数の斜め孔を高品質且つ効率的に形成することが可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。
本発明は、被加工物の表面に対して傾斜する入射角度に設定されたレーザ光を、前記表面に照射することにより斜め孔を形成するレーザ加工装置に関するものである。
このレーザ加工装置では、レーザ光の照射により発生する不要物を除去するためのアシストガスを供給するとともに、一定時間又はパルス状に、前記レーザ光を表面に設定された入射角度で照射するためのレーザノズルと、前記レーザ光の照射部位に対して、前記レーザ光が散乱する方向を覆って配置され、該レーザ光の照射により前記表面から発生するスパッタを遮蔽するためのスパッタ遮蔽治具と、前記レーザノズルと前記スパッタ遮蔽治具とを同期して移動させるための連結部材と、を備えている。
また、このレーザ加工装置では、スパッタ遮蔽治具は、現在の加工部位と次回の加工部位との間に配置されることが好ましい。このため、次の加工部位に溶融物が付着したり、被加工物の厚さが増加したりすることがなく、レーザ光による加工時間が短縮される。
さらに、このレーザ加工装置では、スパッタ遮蔽治具は、アシストガスを前記スパッタ遮蔽治具から排出させるためのアシストガス逃がし機構を設けることが好ましい。従って、アシストガスは、加工部位から良好に排出され、蒸発ガスが滞留することを確実に阻止することができる。
さらに、このレーザ加工装置では、スパッタ遮蔽治具は、耐熱素材で構成され、又は、前記耐熱素材をコーティングして構成されることが好ましい。これにより、レーザ光の照射によってスパッタ遮蔽治具に焼け付け等が発生することを抑制することが可能になる。
さらにまた、このレーザ加工装置では、スパッタ遮蔽治具は、連結部材に支持される軸部と、前記軸部に設けられるとともに、アシストガスによって該軸部を支点に回転自在な羽部と、を備えることが好ましい。このため、羽部は、アシストガスを利用して回転することができ、簡単な構成で、スパッタを良好に飛散させて溶融物の付着を阻止することが可能になる。
また、このレーザ加工装置では、羽部は、表面に接触するボールプランジャを備えることが好ましい。従って、スパッタ遮蔽治具は、被加工物の表面から一定の距離を維持することができ、スパッタの飛散が確実に遂行される。
さらに、このレーザ加工装置では、スパッタ遮蔽治具は、連結部材に設けられ、レーザ光が散乱する方向を覆う遮蔽体を備えるとともに、前記遮蔽体は、レーザノズルに対向する側部に開口部を設けることが好ましい。これにより、遮蔽体は、開口部に沿ってアシストガス排出用の流路を形成することができ、しかも溶融物が被加工物に付着することを阻止することが可能になる。
さらにまた、このレーザ加工装置では、遮蔽体は、アシストガスを排出するための排出孔を有することが好ましい。このため、アシストガスを一層容易且つ確実に排出させることができる。
また、このレーザ加工装置では、入射角度は、10゜〜90゜の範囲内に設定されることが好ましい。入射角度が10゜未満では、被加工物の加工距離(加工方向の厚さ)が大きくなり、レーザ光による孔明け作業が困難となる。一方、入射角度が90゜を超えると、加工孔が短尺化して冷却能力が低下してしまう。
さらに、このレーザ加工装置では、入射角度は、10゜〜40゜の範囲内に設定されることが好ましい。入射角度が40゜以下であれば、加工孔が良好に長尺化され、所望の冷却能力を確実に保持することが可能になる。
本発明によれば、レーザノズルとスパッタ遮蔽治具とが、同期して移動されるため、散乱されたスパッタにより発生する溶融物が次の加工部位に付着することを確実に抑制することができる。しかも、孔明け加工時間を短縮することが可能になるとともに、加工精度が良好に向上する。
これにより、簡単な構成で、スパッタによる加工不良を可及的に抑制することができ、複数の斜め孔を高品質且つ効率的に形成することが可能になる。
本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す斜視図である。 前記レーザ加工装置を構成する加工ヘッドの要部断面説明図である。 前記加工ヘッドの分解斜視説明図である。 前記加工ヘッドの動作を説明する斜視図である。 本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工装置の要部説明図である。 前記レーザ加工装置の要部分解斜視説明図である。 本発明の第3の実施形態に係るレーザ加工装置の要部説明図である。 前記レーザ加工装置の要部斜視説明図である。 本発明の第4の実施形態に係るレーザ加工装置の要部説明図である。
図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係るレーザ加工装置10は、X軸方向(左右方向)に延在する基台12を備える。基台12上には、X軸方向に進退可能なX軸テーブル14が載置されるとともに、前記X軸テーブル14には、Y軸方向(前後方向)に進退可能なY軸テーブル16が設けられる。
Y軸テーブル16には、加工ヘッド18がZ軸方向(上下方向)に進退可能に設けられ、前記加工ヘッド18は、C軸方向(回転方向)及びA軸方向(チルト方向)の2軸に作動する。
レーザ加工装置10は、上記のように、X軸、Y軸、Z軸、C軸及びA軸の5軸加工機であるが、これに限定されるものではない。被加工物である、例えば、燃焼器本体(以下、ワークWという)は、ロータリーテーブル20に載置される。ロータリーテーブル20は、回転及びチルトの2軸に作動し、レーザ加工装置10と合わせて7軸の作動が可能である。
レーザ加工装置10は、ファイバーレーザ発振器(図示せず)又はYAGレーザ発振器(図示せず)を備えることが好ましい。図2に示すように、加工ヘッド18は、ハウジング22を備える。このハウジング22には、図示しないファイバーレーザ発振器又はYAGレーザ発振器(図示せず)から導出され、反射ミラー24等により導かれたレーザ光Lを集光させる集光工学系26が収容される。
ハウジング22のレーザ光導出側には、スリーブ28が取り付けられるとともに、前記スリーブ28には、レーザノズル30が設けられる。レーザノズル30の先端には、ノズル先端32が設けられるとともに、このノズル先端32には、フランジ34が形成される。
ノズル先端32には、ワークW上のレーザ光Lの照射部位(加工部位)に対し、前記レーザ光Lが散乱する方向を覆って配置され、該レーザ光Lの照射により前記ワークWの表面Waから発生するスパッタSPを遮蔽するためのスパッタ遮蔽治具36が、連結部材38を介して同期移動可能に設けられる。
図2及び図3に示すように、連結部材38は、板状のブラケット部40を備える。このブラケット部40の一方の端部には、略半円状の切り欠き42が形成される。ブラケット部40は、切り欠き42にノズル先端32の外周部に、すなわち、フランジ34とレーザノズル30の先端との間に、着脱自在に取り付けられる。
ブラケット部40には、連結バー44の一端が固着され、前記連結バー44は、所定の角度及び所定の長さに設定されるとともに、他端に円筒部46が設けられる。
スパッタ遮蔽治具36は、円筒部46に挿入される軸部48を備える。軸部48は、円筒部46の軸方向両端にベアリング50a、50bを介して回転自在に支持される。軸部48の一端部には、ナット52が取り付けられるとともに、前記軸部48の他端には、複数の羽部54が一体に回転自在に設けられる。
各羽部54は、矩形状を有し、軸部48の周囲に放射状に設けられることにより、ブラシ構造を有する。各羽部54は、例えば、セラミックスペーパ等の薄膜状の耐熱素材等で構成される。なお、羽部54は、例えば、ボロンナイト系の耐熱塗料を素材表面にコーティングして構成してもよい。
軸部48の他端部には、ボールプランジャ56が設けられる。このボールプランジャ56は、ワークWの表面Waに接触することにより、羽部54と前記表面Waとの間に所定の角度θ0が保持される。羽部54は、ノズル先端32側がワークWの表面Waに接することが好ましい。ノズル先端32とワークWの表面Waとの間には、入射角度θが設定される。入射角度θは、10°〜90°の間に、より好ましくは、10°〜40°の間に設定される。
レーザノズル30には、アシストガス導出管58が前記レーザノズル30と一体に(又は、別体で、且つ、同期して移動可能に)設けられる。アシストガスAGは、レーザ加工時の溶融物(ドロス)や飛散ガス等の不要物を除去するために、加工部位に向かって噴出される。スパッタ遮蔽治具36は、アシストガスAGによって羽部54が回転自在となる位置で、且つ、現在の加工部位と次回の加工部位との間に配置される。
このように構成されるレーザ加工装置10の動作について、以下に説明する。
先ず、図示しないファイバーレーザ発振器は、波長が1070nm帯のファイバーレーザが用いられ、又はYAGレーザ発振器は、波長が1064nm帯のYAGレーザが用いられている。ピーク出力は、20kW程度、周波数は、5Hz〜100Hz程度、パルス幅は、0.1ms〜9ms程度に設定される。
加工ヘッド18は、図2に示すように、レーザノズル30の先端であるノズル先端32が、ワークWの加工部位に対して入射角度θ°に設定されるとともに、スパッタ遮蔽治具36は、前記加工部位と次回の加工部位との間に配置されている。
そこで、ファイバーレーザ発振器又はYAGレーザ発振器が駆動され、加工ヘッド18の先端からワークWの表面Waにレーザ光Lが照射される。その際、アシストガス導出管58から加工部位に向かってアシストガスAGがパルス状に又は一定時間噴射される。レーザ光Lの照射によって、ワークWの表面Waに斜め孔である冷却孔60が形成されるとともに、前記表面Waからスパッタが発生してドロスが堆積し易い。
この場合、第1の実施形態では、加工ヘッド18には、連結部材38を介してスパッタ遮蔽治具36が取り付けられている。スパッタ遮蔽治具36は、連結部材38に対し、ベアリング50a、50bを介して回転自在な軸部48を有している。このため、羽部54は、連結部材38に対して回転自在である。
従って、羽部54にアシストガスAGが吹き付けられることにより、前記羽部54が回転する。これにより、図4に示すように、レーザ光Lの照射によって発生するスパッタSPは、回転する羽部54により強制的に拡散され、冷却孔60の近傍にドロスが堆積することを確実に阻止することができる。
特に、スパッタ遮蔽治具36は、今回の加工部位と次回の加工部位との間に配置されており、ドロスが次の加工部位に付着することを良好に抑制することが可能になる。
上記の冷却孔60を形成した加工ヘッド18は、次の加工部位に移動し、この加工部位にレーザ光Lを照射する。このため、次の傾斜孔である冷却孔60が形成されるとともに、アシストガスAGを介して羽部54が回転し、スパッタSPを良好に飛散させることができる。
ここで、加工ヘッド18は、各加工部位に断続的に移動してレーザ加工を行ってもよく、又は、静止することなく連続的に移動しながらレーザ加工を行う、所謂、オンザフライ(on−the−fly)加工を行ってもよい。
このように、第1の実施形態では、レーザノズル30とスパッタ遮蔽治具36とは、連結部材38を介して同期して移動している。このため、レーザ光Lの照射によって散乱されたスパッタSPにより発生するドロスが、次の加工部位に付着することを確実に抑制することができる。
しかも、孔開け加工時間を短縮することが可能になるとともに、各冷却孔60の加工精度が良好に向上するという利点がある。これにより、簡単な構成で、スパッタSPによる加工不良を可及的に抑制することができ、複数の斜め孔(冷却孔60)を高品質且つ効率的に形成することが可能になるという効果が得られる。
また、スパッタ遮蔽治具36は、現在の加工部位と次回の加工部位との間に配置されている。このため、次の加工部位にドロスが付着したり、ワークWの厚さが増加したりすることがなく、レーザ光Lによる加工時間が良好に短縮される。
さらに、スパッタ遮蔽治具36は、羽部54が耐熱素材で構成され、又は、耐熱塗料をコーティングして構成されている。従って、レーザ光Lの照射によって、スパッタ遮蔽治具36に焼き付け等が発生することを抑制することが可能になる。
さらにまた、羽部54は、ワークWの表面Waに接触するボールプランジャ56を備えている。これにより、羽部54は、ワークWの表面Waから一定の距離を維持することができ、スパッタSPの飛散が確実に遂行される。
また、レーザノズル30の入射角度θは、10°〜90°の範囲内に設定されている。入射角度θが10°未満では、ワークWの加工距離(加工方向の厚さ)が大きくなり、レーザ光Lによる孔開け作業が困難となってしまう。一方、入射角度θが90°に近くなると、冷却孔60が短尺化して所望の冷却能力を得ることができない。
さらに、入射角度θが40°以下であると、冷却孔60が良好に長尺化され、所望の冷却能力を確実に保持することが可能となる。従って、入射角度θは、より好ましくは、10°〜40°の範囲内に設定される。
図5及び図6に示すように、本発明の第2の実施形態に係るレーザ加工装置61は、加工ヘッド62を備える。ハウジング22内には、反射ミラー24等が配置されるとともに、スリーブ28内には、集光工学系である加工レンズ26aが配置される。
なお、第1の実施形態に係るレーザ加工装置10と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第3の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
レーザノズル30aの先端には、内周面にねじ孔64aが形成される一方、ノズル先端32aには、前記ねじ孔64aに螺合するねじ部64bが設けられる。加工ヘッド62の先端には、連結部材65を介してスパッタ遮蔽治具36が装着される。
連結部材65は、板状のブラケット部66を備え、このブラケット部66には、孔部68が設けられる。レーザノズル30aの先端が孔部68に挿入された後、ノズル先端32aが螺回される。このため、ノズル先端32aのねじ部64bは、レーザノズル30aのねじ孔64aにねじ込まれ、前記ノズル先端32aと前記レーザノズル30aとは、ブラケット部66を挟み込んだ状態で、互いに固定される。
このように構成される第2の実施形態では、ノズル先端32aは、ねじ孔64a及びねじ部64bを介してレーザノズル30aに交換自在である。従って、形状の異なるノズル先端32aを選択することにより、アシストガスの流量や吹き付け速度等を容易に変更することができる。これにより、ワークWの形状に合わせたり、レーザ加工条件を簡単に調整したりすることが可能になる。このため、レーザ加工装置61は、上記の第1の実施形態と同様の効果の他、経済的に汎用性の向上を図ることができるという効果が得られる。
図7及び図8に示すように、本発明の第3の実施形態に係るレーザ加工装置70は、加工ヘッド18の先端に連結部材72を介してスパッタ遮蔽治具74が装着される。
連結部材72は、ブラケット部76を有し、前記ブラケット部76は、孔部77を設ける。ブラケット部76は、レーザノズル30の先端に配置された状態で、ノズル先端32が前記レーザノズル30の先端に装着されることにより、前記レーザノズル30に固定される。なお、レーザノズル30の先端とノズル先端32とは、一体に固定されてよく、又は、第2の実施形態と同様にねじ止めにより着脱自在であってもよい。
ブラケット部76には、連結バー78の一端が固着されるとともに、前記連結バー78の他端部には、スパッタ遮蔽治具74が、例えば、揺動自在に(又は一体的に)設けられる。
スパッタ遮蔽治具74は、略円柱状の遮蔽体80を備えるとともに、前記遮蔽体80は、レーザノズル30に対向する側部に開口部82を設ける。遮蔽体80は、断面略L字状に屈曲されてその下端部側がワークWの表面Waに接することが好ましい。
遮蔽体80は、例えば、セラミックス等の耐熱素材(又は耐熱素材のコーティング材)により構成される。開口部82は、略円柱状の一端側から他端側に軸方向に延在するスリット状に構成される。この開口部82は、アシストガスAGを遮蔽体80から排出するためのアシストガス逃がし機構を構成する。
このように構成される第3の実施形態では、スパッタ遮蔽治具74は、連結部材72に設けられ、レーザ光Lが散乱する方向を覆う遮蔽体80を備えている。この遮蔽体80は、レーザノズル30に対向する側部に軸方向に延在してスリット状の開口部82を設けている。このため、遮蔽体80は、開口部82に沿って、アシストガス排出用の流路を形成することができ、しかもドロスがワークWに付着することを阻止することが可能になる。
さらに、孔開け加工時間を短縮するとともに、加工精度が良好に向上する。これにより、簡単な構成で、複数の冷却孔60を高品質且つ効率的に形成することができる等、上記の第1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
図9は、本発明の第4の実施形態に係るレーザ加工装置90の要部説明図である。なお、第3の実施形態に係るレーザ加工装置70と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
レーザ加工装置90は、スパッタ遮蔽治具92を有するとともに、スパッタ遮蔽治具92を構成する遮蔽体80は、側部に複数の排出孔94を有する。排出孔94は、水平方向から上方に向かって傾斜することが好ましく、遮蔽体80内に導入されたアシストガスAGを外部に排出する機能を有する。
このように、第4の実施形態では、上記の第3の実施形態と同様の効果が得られる他、アシストガスを一層容易且つ確実に排出させることができるという利点がある。
10、61、70、90…レーザ加工装置 12…基台
18、62…加工ヘッド 20…ロータリーテーブル
22…ハウジング 30、30a…レーザノズル
32、32a…ノズル先端 34…フランジ
36、74、92…スパッタ遮蔽治具 38、72…連結部材
40、66、76…ブラケット部 44、78…連結バー
46…円筒部 50a、50b…ベアリング
54…羽部 56…ボールプランジャ
58…アシストガス導出管 64a…ねじ孔
64b…ねじ部 80…遮蔽体
82…開口部 94…排出孔

Claims (10)

  1. 被加工物の表面に対して傾斜する入射角度に設定されたレーザ光を、前記表面に照射することにより斜め孔を形成するレーザ加工装置であって、
    前記レーザ光の照射により発生する不要物を除去するためのアシストガスを供給するとともに、一定時間又はパルス状に、前記レーザ光を前記表面に設定された前記入射角度で照射するためのレーザノズルと、
    前記レーザ光の照射部位に対して、前記レーザ光が散乱する方向を覆って配置され、該レーザ光の照射により前記表面から発生するスパッタを遮蔽するためのスパッタ遮蔽治具と、
    前記レーザノズルと前記スパッタ遮蔽治具とを同期して移動させるための連結部材と、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 請求項1記載のレーザ加工装置において、前記スパッタ遮蔽治具は、現在の加工部位と次回の加工部位との間に配置されることを特徴とするレーザ加工装置。
  3. 請求項1又は2記載のレーザ加工装置において、前記スパッタ遮蔽治具は、前記アシストガスを該スパッタ遮蔽治具から排出させるためのアシストガス逃がし機構を設けることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザ加工装置において、前記スパッタ遮蔽治具は、耐熱素材で構成され、又は、前記耐熱素材をコーティングして構成されることを特徴とするレーザ加工装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置において、前記スパッタ遮蔽治具は、前記連結部材に支持される軸部と、
    前記軸部に設けられるとともに、前記アシストガスによって該軸部を支点に回転自在な羽部と、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  6. 請求項5記載のレーザ加工装置において、前記羽部は、前記表面に接触するボールプランジャを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  7. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ加工装置において、前記スパッタ遮蔽治具は、前記連結部材に設けられ、前記レーザ光が散乱する方向を覆う遮蔽体を備えるとともに、
    前記遮蔽体は、前記レーザノズルに対向する側部に開口部を設けることを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 請求項7記載のレーザ加工装置において、前記遮蔽体は、前記アシストガスを排出するための排出孔を有することを特徴とするレーザ加工装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のレーザ加工装置において、前記入射角度は、10゜〜90゜の範囲内に設定されることを特徴とするレーザ加工装置。
  10. 請求項9記載のレーザ加工装置において、前記入射角度は、10゜〜40゜の範囲内に設定されることを特徴とするレーザ加工装置。
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