JP2015009270A

JP2015009270A - レーザー加工ヘッド

Info

Publication number: JP2015009270A
Application number: JP2013138736A
Authority: JP
Inventors: 若林　優輔; Yusuke Wakabayashi; 優輔若林; 伸明高橋; Nobuaki Takahashi; 孝石塚; Takashi Ishizuka; 章岩月; Akira Iwatsuki; 櫻井　茂行; Shigeyuki Sakurai; 茂行櫻井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2015-01-19

Abstract

【課題】レーザー加工に際して発生するミスト状汚染物が保護ガラスに付着するのを確実に防止できる新規なレーザー加工ヘッドの提供。
【解決手段】レーザー光Ｌが出射する開口部４３にこれを塞ぐように保護ガラス４４を備えると共にその保護ガラス４４の外面４４ａにエアーを吹き付けるエアーブローノズル４５を備え、その保護ガラス４４の外面４４ａと前記開口部４３の縁部４３ａとがほぼ面一となるようにする。これによって、レーザー加工に際して発生したミスト状汚染物が保護ガラス４３の表面で滞留することがなくなり、ミスト状汚染物がその表面に付着するのを防止できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー光（レーザービーム）による焼き入れや切断、マーキングまたは溶接などの各種レーザー加工を行うためのレーザー加工ヘッドに関するものである。

一般に、係るレーザー加工ヘッドを用いて被加工部材をレーザー加工する際には、金属粒であるスパッタの他に、熱によって蒸発した物質が冷却されて個体の微粒子となったヒュームが飛散する。さらにその被加工部材の表面に前加工で使用した油や洗浄剤などが残っていると、それらの残留物がミスト状になって飛散することがある。

そのため、そのレーザー加工ヘッドの反射ミラーや集光レンズと被加工部材との間に貫通孔が設けられていると、この貫通孔からスパッタやヒュームおよび油や洗浄剤などが内部に侵入して反射ミラーや集光レンズに付着してしまい、これらが破損したり、寿命低下を招くことがある。また、スパッタやヒュームおよび油や洗浄剤などが反射ミラーや集光レンズに付着すると、反射率、透過率の低下による被加工部材の加工品質のばらつきを招いてしまうといった問題がある。

このような問題を解決するために従来では、例えば以下の特許文献１に開示されたレーザー加工ヘッドのように、レーザー光を通過させる開口部に保護ガラスを設けると共に、その近傍にエアーブローノズルを設け、このエアーブローノズルから保護ガラスにエアーを吹き付けることで侵入を防止してスパッタなどの付着を抑制している。また、以下の特許文献２では、レーザー加工ヘッドの下部に高速エアーを噴射できるエアーブローノズルを設け、このエアーブローノズルによってレーザー加工ヘッドの先端部に高速エアーを層流状態に吹き付けることでスパッタやヒュームおよび油や洗浄剤などの付着を抑制している。

特許第３４０６１１８号公報特開２０００−２６３２７６号公報

しかし、前述したような従来技術では保護ガラスにエアーを吹き付けることによってスパッタの付着は抑制できるが、ヒュームおよび被加工部材から熱によって蒸発した油や洗浄剤など（以下、ミスト状汚染物と称す）が保護ガラスに付着することまでは抑制できない。

このようなミスト状汚染物が保護ガラスに付着すると、レーザー光の透過率が低下し、被加工部材の加工品質のばらつきを招いてしまうため、頻繁に保護ガラスを清掃する必要がある。また、ミスト状汚染物が保護ガラスに付着すると、保護ガラスの寿命が低下し、頻繁に交換しなければならなくなり、生産効率を低下させてしまう。特に前記特許文献１や２のように保護ガラスがレーザー加工ヘッドの内部に設けられている場合にはその清掃作業や交換作業に多くの手間と時間を要する。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、レーザー加工に際して発生するミスト状汚染物が保護ガラスに付着するのを確実に防止できる新規なレーザー加工ヘッドを提供するものである。

前記課題を解決するために第１の発明は、レーザー光が出射する開口部にこれを塞ぐように保護ガラスを備えると共に前記保護ガラスの外面にエアーを吹き付けるエアーブローノズルを備えたレーザー加工ヘッドであって、前記保護ガラスの外面と前記開口部の縁部とがほぼ面一となるように前記保護ガラスを前記開口部に備えたことを特徴とするレーザー加工ヘッドである。

このような構成によれば、レーザー加工に際して発生するミスト状汚染物が保護ガラスの表面で滞留することなく、エアーブローノズルから噴き出されるエアーによって確実に吹き飛ばされる。これによって、そのミスト状汚染物がその表面に付着して保護ガラスが汚れたり、寿命が低下するといった現象を防止できるため、清掃や交換作業に要する手間や時間を省いて生産効率を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記保護ガラスの外面側の周縁部に沿って、前記開口部の板厚とほぼ同じ高さの段部を設け、当該段部に前記開口部の縁部が嵌合するように取り付けて前記保護ガラスの外面と前記開口部の縁部とがほぼ面一となるように前記保護ガラスを前記開口部に取り付けたことを特徴とするレーザー加工ヘッドである。このような構成によれば、保護ガラスの外面と開口部の縁部とがほぼ面一となるようにその保護ガラスを開口部に取り付けることができると共に、取り付けた保護ガラスが開口部から脱落するような現象も確実に防止できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記エアーブローノズルの噴出口の幅を少なくとも前記開口部の径よりも広くすると共に、前記噴出口を前記開口部の近傍に位置させて前記保護ガラスの外表面に沿って帯状にエアーを吹き付けることを特徴とするレーザー加工ヘッドである。このような構成によれば、開口部を塞ぐ保護ガラスの外表面全体が帯状のエアーによって覆われるため、レーザー加工に際して発生したミスト状汚染物が保護ガラスの外表面に達して付着することがなくなる。

第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明において、前記開口部の近傍に、前記エアーブローノズルから噴き出されるエアーの流れ方向とほぼ平行になるようにエアーガイドを備えたことを特徴とするレーザー加工ヘッドである。このような構成によれば、エアーの側面がガイド部で仕切られるようになるため、レーザー加工に際して発生したミスト状汚染物がエアーの側面からエアーの内部に巻き込まれて保護ガラスの外表面に付着するような現象を確実に防止することができる。

本発明によれば、レーザー加工に際して発生したミスト状汚染物が保護ガラスの表面で滞留することなく、エアーブローノズルから噴き出されるエアーによって確実に吹き飛ばされる。これによって、そのミスト状汚染物がその表面に付着して保護ガラスが汚れたり、寿命が低下するといった現象を防止できるため、清掃や交換作業に要する手間や時間を省いて生産効率を向上させることができる。

本発明に係るレーザー加工ヘッド１００の実施の一形態を示した全体側面図である。図１中Ａ部を示す部分拡大図である。図２中Ａ部を示す部分拡大図である。ベンドユニット４０を下面方向（開口部側）からみた平面図である。従来のレーザー加工ヘッドのベンドユニット部分を示す側面図である。従来のレーザー加工ヘッドのベンドユニット部分を下面方向（開口部側）からみた平面図である。本発明に係るレーザー加工ヘッド１００の他の実施形態を示した全体側面図である。図７のレーザー加工ヘッド１００のベンドユニット部分を下面方向（開口部側）からみた平面図である。

次に、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係るレーザー加工ヘッド１００の実施の一形態を示したものである。図示するように、このレーザー加工ヘッド１００は、光ファイバーＦを接続するファイバーカップリング１０と、コリメーションユニット２０と、集光ユニット３０と、ベンドユニット４０と、これらを連結する連結パイプ５０および６０とから主に構成されている。

そして、図示しないレーザー発振器から発振されたレーザー光Ｌは、光ファイバーＦを介してコリメーションユニット２０に照射され、その内部に設けられたコリメーションレンズ２１により平行ビームになって連結パイプ５０内を通過して集光ユニット３０に到達する。集光ユニット３０に達したレーザー光Ｌは、その内部に保持されている集光レンズ３１により収束されて連結パイプ６０内を通過してベンドユニット４０に到達する。

このベンドユニット４０は、図２ないし図４に示すように連結パイプ６０と連通する内部中空のユニットケーシング４１内に反射ミラー４２を収容されていると共に、そのユニットケーシング４１の下面には円形の開口部４３が形成されている。なお、図２は図１中Ａ部を示す部分拡大図、図３は図２中Ａ部を示す部分拡大図、図４はベンドユニット４０を下面方向（開口部側）からみた平面図である。そして、このユニットケーシング４１の下面であって、その開口部４３の近傍には、エアーブローノズル４５が設けられており、前記保護ガラスの外面に高圧のエアーを吹き付けるようになっている。

反射ミラー４２は、集光レンズ３１で収束されたレーザー光Ｌの光軸に対して４５°斜め下方に傾斜して設置されており、集光レンズ３１で収束されたレーザー光Ｌを直角下方に９０°反射させてユニットケーシング４１下面の開口部４３から出射するようになっている。

開口部４３には、これを塞ぐように透明な保護ガラス４４が設けられている。この保護ガラス４４は、レーザー光Ｌを透過しつつ、この開口部４３からユニットケーシング４１内へのスパッタやヒュームおよび油や洗浄剤などが侵入するのを防止するものであり、耐熱性の石英ガラスなどから構成されている。そして、図３に示すようにこの保護ガラス４４の外面４４ａ（図においては下側面）は、この開口部４３の縁部４３ａ、すなわちユニットケーシング４１の底面４１ａとほぼ面一（同じ高さ）になるように形成されている。

具体的には、図３に示すようにこの保護ガラス４４の外面４４ａ側の周縁部には、その周方向に沿って、開口部４３の板厚とほぼ同じ高さの段部４４ｂが形成されており、この段部４４ｂが開口部４３の縁部４３ａに嵌合するように取り付けられることで保護ガラス４４の外面４４ａがユニットケーシング４１の底面４１ａとほぼ面一（同じ高さ）になっている。そして、この保護ガラス４４は、上面縁部が押さえ部材４１ｂによってユニットケーシング４１の底面４１ａ側に固定されている。

一方、図３および図４に示すようにエアーブローノズル４５は、その噴出口４５ａが、開口部４３の近傍のユニットケーシング４１の底面４１ａにほぼ密着するように位置すると共に、その噴出口４５ａの幅ｗは少なくとも開口部４３の径ｄよりも広くなっている。従って、この噴出口４５ａから噴出される高圧エアーは、そのユニットケーシング４１の底面４１ａから保護ガラス４４の外表面４４ａに沿って直線かつ帯状に流れるようになっている。なお、このエアーブローノズル４５には、耐圧チューブ４５ｂを介して図示しないエアーバルブおよびエアーポンプ（圧縮機）が接続されており、レーザー加工中は常にその噴出口４５ａから絶え間なくエアーが噴き出されるようになっている。

そして、このような構成をした本発明のレーザー加工ヘッド１００によれば、図３および図４の実線矢印に示すように、エアーブローノズル４５から噴き出されたエアーが保護ガラス４４の外表面４４ａ全体を覆いつつ、ユニットケーシング４１の底面４１ａに沿って直線かつ帯状に流れる。これにより、レーザー加工中に発生したミスト状汚染物が保護ガラス４４の外表面４４ａに達することなく、図中破線に示すようにその表面を覆うようにして帯状に流れるエアーと共にエアーブローノズル４５の反対側に吹き飛ばされるため、保護ガラス４４の外表面４４ａに付着することなくなる。この結果、保護ガラス４４が汚れたり、寿命が低下するといった現象を防止できるため、清掃や交換作業に要する手間や時間を省いて生産効率を大幅に向上させることができる。

一方、図５および図６は、従来のレーザー加工ヘッドの開口部４３付近の構造とそのエアーの流れの例を示したものである。図示するように従来構造では、保護ガラス４４がユニットケーシング４１の底面４１ａよりも奥側（上側）に設けられているため、保護ガラス４４の外表面と開口部４３の縁部との間には一定のスペース（空間）Ｓが生じていた。このため、エアーブローノズル４５から噴き出したエアーの流れによってこのスペースＳが負圧状態になり、周囲の空気と共にミスト状汚染物もこのスペースＳに吸い込まれるように流れ込んでそのまま滞留してしまって保護ガラス４４の外表面に付着することがあった。

これに対し、本発明のレーザー加工ヘッド１００は、前述したように構成したことから、従来のように保護ガラス４４の外表面と開口部４３の縁部との間にスペースＳが生じることがないため、保護ガラス４４の外表面４４ａの汚染を防止することができる。

図７および図８は、本発明の他の実施の形態を示したものであり、このような構成にすれば、より効果的に保護ガラス４４の外表面４４ａの汚染を防止することができる。すなわち、本実施の形態では、ユニットケーシング４１の底面４１ａにその開口部４３を挟むようにしてその近傍に、エアーブローノズル４５から噴き出されるエアーの流れ方向とほぼ平行になるように一対のエアーガイド７０，７０を設けたものである。このエアーガイド７０，７０は、それぞれエアーの流れ方向に延びる短冊状（長板状）に形成されており、エアーブローノズル４５の噴出し口４５ａの両側からそれぞれ連続するように設けられている。

そして、このような構成によれば、図８に示すようにこのエアーガイド７０，７０が、エアーブローノズル４５の噴出し口４５ａから帯状に流れるエアーの側面を囲むように位置することから、その部分からミスト状汚染物が開口部４３へ流れ込むことをほぼ完全に抑えることが可能となる。これにより、より効果的に保護ガラス４４の外表面４４ａの汚染を防止することが可能となる。

また、さらにこのエアーブローノズル４５の噴出し口４５ａをユニットケーシング４１の底面４１ａに密着するように設けることで、そのユニットケーシング４１の底面４１ａに沿ってエアーが直線かつ帯状に流れるため、そのユニットケーシング４１の底面４１ａと帯状に流れるエアーとの間にミスト状汚染物が流れ込むことをより確実に防止することができる。

１００…レーザー加工ヘッド
１０…ファイバーカップリング
２０…コリメーションユニット
３０…集光ユニット
４０…ベンドユニット
４１…ユニットケーシング
４１ａ…ユニットケーシング４１の底面
４２…ミラー
４３…開口部
４３ａ…開口部４３の縁部
４４…保護ガラス
４４ａ…保護ガラス４４の外面
４５…エアーブローノズル
４５ａ…噴出口
５０，６０…連結パイプ
７０…エアーガイド
Ｌ…レーザー光

Claims

レーザー光が出射する開口部にこれを塞ぐように保護ガラスを備えると共に前記保護ガラスの外面にエアーを吹き付けるエアーブローノズルを備えたレーザー加工ヘッドであって、
前記保護ガラスの外面と前記開口部の縁部とがほぼ面一となるように前記保護ガラスを前記開口部に備えたことを特徴とするレーザー加工ヘッド。
請求項１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記保護ガラスの外面側の周縁部に沿って、前記開口部の板厚とほぼ同じ高さの段部を設け、当該段部に前記開口部の縁部が嵌合するように取り付けて前記保護ガラスの外面と前記開口部の縁部とがほぼ面一となるように前記保護ガラスを前記開口部に備えたことを特徴とするレーザー加工ヘッド。
請求項１または２に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記エアーブローノズルの噴出口の幅を少なくとも前記開口部の径よりも広くすると共に、前記噴出口を前記開口部の近傍に位置させて前記保護ガラスの外表面に沿って帯状にエアーを吹き付けることを特徴とするレーザー加工ヘッド。
請求項１ないし３のいずれかに記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記開口部の近傍に、前記エアーブローノズルから噴き出されるエアーの流れ方向とほぼ平行になるようにエアーガイドを備えたことを特徴とするレーザー加工ヘッド。