JP2017035709A - レーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッドであって、特に、水中でも気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッド、及び当該レーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ加工ヘッド本体部と、内側ノズルと外側ノズルを有する二重ノズル部と、当該内側ノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、当該外側ノズルからシールドガスを吸引するシールドガス吸引装置と、を備え、二重ノズル部はレーザ加工ヘッド本体部の底部に連結され、シールドガス供給装置はシールドガス供給管を介して二重ノズル部に連結され、シールドガス吸引装置はシールドガス吸引管を介して二重ノズル部に連結されていること、を特徴とするレーザ加工ヘッド。
【選択図】図１

Description

本発明は、気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すためのレーザ加工ヘッド、及び当該レーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工方法に関する。

一般的に、レーザ加工においてはレーザ光の周囲にアシストガス等を供給する必要があることから、レーザ加工ヘッドに関する研究が盛んに行われている。例えば、特許文献１（特開２０１１−１７７７８８号公報）では、厚い被加工物を切断する目的で、内側ノズルと外側ノズルからなる二重ノズルを備え、内側ノズル内には、酸素含有ガスを供給し、外側ノズル内には、酸素含有ガスよりも流量が高くかつ酸素濃度が低い高流量ガスを噴射する形のレーザ切断装置が提案されている。

上記特許文献１に記載のレーザ切断装置においては、アシストガスは酸素含有ガスと高流量ガスとで形成されるので、高流量ガスの流量を増やすことによって、厚い被加工物に対しても溶融物を吹き飛ばすのに十分なアシストガス流量を確保することができる。また、高流量ガスは酸素含有ガスよりも酸素濃度の低い気体であるので、高流量ガスの流量を増やしても酸素の供給を適度に抑えてセルフバーニングの発生を防止でき、ひいては良好な切断面品質を得ることができる、としている。

また、水中でレーザ加工を行う場合はレーザ光が水に吸収されるため、投入エネルギーをロスなく被加工材に伝達し、効率よく加工を行うためには、レーザの集光経路を透明気体で満たし、水中に空洞部を形成する必要がある。特許文献２（特公昭６２−８２６３号公報）では、レーザ加工ヘッドの先端にスポンジ状の外部止水壁を二重に形成させた水中溶接装置が、特許文献３（特開２００１−２１９２６９号公報）では、レーザ加工ヘッドを押圧すると共に、水流カーテンを形成させる水中加工装置がそれぞれ提案されている。

上記特許文献２に記載の水中溶接装置においては、一対の被溶接部材の環状をなす溶接部を囲む溶接作業室の周囲を二重の止水壁で囲むと共にこれらの間に吸引室を形成し、溶接作業室から漏出するガスや外部から浸入する水を吸引室から外部へ排出するようにしているため、気泡が水中に漏出することがなく、しかも溶接作業室への水の浸入もなくなり、溶接状態を監視しながら信頼性の高い溶接部を形成することができる、としている。

また、上記特許文献３に記載の水中加工装置においては、固体壁によるガスシールドと水流カーテンによるシールドとによって、加工部への水の浸入を防止し、かつ、ガスシールドによるガス供給量を少なくできると共にガス供給量の変動を少なくできるため、安定した加工、溶接等を行うことができる、としている。

特開２０１１−１７７７８８号公報 特公昭６２−８２６３号公報 特開２００１−２１９２６９号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３に開示されている装置では、レーザ加工時に生じるヒュームの拡散を完全に抑制することができない。その結果、例えば、原子炉内でのレーザ加工においては、放射線を外部に排出してしまう可能性があり、人体や周辺環境に悪影響を及ぼす可能性があった。

また、上記特許文献２の水中溶接装置のように、スポンジ状の止水壁を配置した場合、ある程度の気密性は保つことができるが、レーザ加工ヘッドの移動を伴う連続的なレーザ加工を施すと、止水壁の損傷によりレーザ加工ヘッドが短命となってしまう。

また、上記特許文献３の水中加工装置のように、押圧する形式を採用した場合、局所的な切断や溶接を行うことは可能であるが、広い範囲に亘って連続的に加工を施す場合には、押圧のＯＮ／ＯＦＦを繰り返す必要がある。加えて、当該水中加工装置は主として上下方向の移動を目的として設計されているため、水平方向の移動に関しては気密性を連続的に保つことが難しいという問題があった。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッドであって、特に、水中でも気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッド、及び当該レーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工方法を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、レーザ加工ヘッドの構造及び当該レーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工方法について鋭意研究を重ねた結果、二重構造を有するノズルを用いてレーザ光の周囲に気密空間を形成させること等が極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
レーザ加工ヘッド本体部と、
内側ノズルと外側ノズルを有する二重ノズル部と、
前記内側ノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、
前記二重ノズル部は前記レーザ加工ヘッド本体部の底部に連結され、
前記シールドガス供給装置はシールドガス供給管を介して前記二重ノズル部に連結され、
前記シールドガス吸引装置はシールドガス吸引管を介して前記二重ノズル部に連結されていること、
を特徴とするレーザ加工ヘッドを提供する。

また、本発明は、
レーザ加工ヘッド本体部と、
内側ノズルと外側ノズルを有する二重ノズル部と、
前記内側ノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、
前記外側ノズルに加圧水を供給する加圧水供給装置と、を備え、
前記二重ノズル部は前記レーザ加工ヘッド本体部の底部に連結され、
前記シールドガス供給装置はシールドガス供給管を介して前記二重ノズル部に連結され、
前記加圧水供給装置は加圧水供給管を介して前記二重ノズル部に連結されていること、
を特徴とするレーザ加工ヘッド、も提供する。

本発明のレーザ加工ヘッドの基本思想は、ノズル部を二重構造とし、外側ノズルの働きによって、少なくともシールドガスが供給される内側ノズル内に高い気密空間を形成させることである。一方の手段は、外側ノズルからシールドガスを吸引し、ノズル内の気密性を向上させるものであり、他方の手段は、外側ノズルに加圧水を供給し、外側ノズルの外周に均等に水膜を形成させるものである。

ここで、外側ノズルから加圧水を供給する態様では、加圧水膜の吐出圧力を高く維持することで、深海の水圧下においても気密空間を形成することが可能であり、当該環境においても連続的なレーザ加工を行うことができる。

本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、前記内側ノズル及び／又は前記外側ノズルの内周底部にボールプランジャを備え、前記ボールプランジャの下部に球体が配置されていること、が好ましい。

二重ノズルの内側ノズル及び／又は外側ノズルの内周底部にボールプランジャを備え、更に当該ボールプランジャの下部に球体を配置することで、被加工材と二重ノズル底部とが接触した場合に転がり摩擦となり、レーザ加工ヘッドの駆動にかかる負荷が小さく、当該レーザ加工ヘッドを滑らかに移動させることができる。更に、ボールプランジャ先端部のボールの前後左右の移動によって、被加工材を連続的に加工することができる。

また、本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、前記内側ノズル及び／又は前記外側ノズルの底部にシール部を備えること、が好ましい。内側ノズル及び／又は外側ノズルの底部にシール部が存在することで、ノズル部の気密性をより向上させることができる。

また、本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、前記二重ノズル部の長さが非対称であり、前記二重ノズル部底面の法線と前記レーザ加工ヘッドの中心軸とがなす角度が５〜４５°となること、が好ましい。当該角度が５〜４５°となることで、二重ノズル部を被加工材に当接させた状態において、レーザ光を被加工材に対して傾斜させることができ、反射されたレーザ光による光学系の破損を効果的に防止することができる。なお、当該角度のより好ましい角度は１０〜３０°であり、最も好ましい角度は１５〜２５°である。

また、本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、レーザ光を照射される被加工材の一部に対してパージガスを供給するためのパージガス供給装置を備えること、が好ましい。レーザ光が照射された被加工材の一部に対して、パージガス供給装置からパージガスを供給することによって、溶融池を被加工材の裏面に押し込むことができ、良質の裏面ビードを形成することができる。なお、パージガスの供給によって、パージガスを供給しない場合よりも二重ノズル部の気密空間における気体やヒュームの量が多くなる。ここで、別途ヒューム吸引装置を配置し、シールドガス吸引装置と組み合わせることによって、気体やヒュームをより多く排出することができる。

更に、本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、前記パージガス供給装置から供給されるパージガスの噴射方向にビード逃げ溝を有すること、が好ましい。当該ビード逃げ溝を形成することによって、溶融池の押し込みをより効果的に行うことができる。

更に、本発明のレーザ加工ヘッドにおいては、前記二重ノズル部内のパージガスを排気するための排出部を備えること、が好ましい。当該排出部を備えることによって、パージガスの排出を効果的に行うことができる。

また、本発明は、上記本発明のレーザ加工ヘッドを用いてレーザ加工を行う方法であって、
前記シール部を被加工材に当接させ、
前記二重ノズル部内に少なくとも一つの気密空間を形成させること、
を特徴とするレーザ加工方法、も提供する。

本発明のレーザ加工方法においては、前記球体の上下移動によって、前記シール部と前記被加工材との間隔を調整すること、が好ましい。本発明のレーザ加工ヘッドを用いることで、ボールプランジャの先端に配置された球体の出代調整により前記間隔を調整することができ、内側ノズル内で発生するヒュームの排出速度を調整することができる。

また、本発明のレーザ加工方法においては、前記被加工材と前記外側ノズルとの間隔を、前記被加工材と前記内側ノズルとの間隔よりも小さくすること、が好ましい。被加工材と外側ノズルとの間隔を、被加工材と内側ノズルとの間隔よりも小さくすることで、内側ノズル内に供給されるシールドガスは被加工材と内側ノズルとの隙間を経由して、外側ノズル内の気密空間へ移動する。その後、シールドガス吸引装置によって当該シールドガスを吸引することによって、効率的かつ確実に、二重ノズル内に気密空間を形成することができる。

また、本発明のレーザ加工方法においては、前記球体による前後左右の移動によって、前記被加工材を連続的に加工すること、が好ましい。ボールプランジャの下部に配置された球体の前後左右の移動を用いることで、被加工材と二重ノズル底部とが接触した場合に転がり摩擦となり、レーザ加工ヘッドの駆動にかかる負荷が小さく、当該レーザ加工ヘッドを滑らかに移動させることができる。その結果、被加工材に対する連続的な加工を容易に行うことができる。

更に、本発明のレーザ加工方法においては、レーザの照射軸を被加工材表面の法線に対して５〜４５°傾斜させること、が好ましい。本発明のレーザ加工ヘッドを用いることで、レーザの照射軸を被加工材表面の法線に対して５〜４５°傾斜させることができる。その結果、乱反射したレーザ光による光学系の破損を効果的に抑制することができる。なお、当該角度について、より好ましい角度は１０〜３０°であり、最も好ましい角度は１５〜２５°である。

本発明によれば、気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッドであって、特に、水中でも気密性を持たせた状態で連続的にレーザ加工を施すことができるレーザ加工ヘッド、及び当該レーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工方法を提供することができる。

吸引型レーザ加工ヘッドの概略側面図である。 吸引型レーザ加工ヘッドの概略正面図である。 加圧水型レーザ加工ヘッドの概略側面図である。 傾斜型レーザ加工ヘッドの概略側面図である。 実施例１で用いた吸引型レーザ加工ヘッドの概観写真である。 実施例１における垂直方向の状況を示す写真である。 実施例１における水平方向の状況を示す写真である。 実施例２で用いた加圧水型レーザ加工ヘッドの概観写真である。 実施例２における水中の状況を示す写真である。 実施例２における気中の状況を示す写真である。

以下、図面を参照しながら本発明のレーザ加工ヘッド及びレーザ加工方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（１）レーザ加工ヘッド
本発明のレーザ加工ヘッドはノズル部を二重構造とし、外側ノズルの働きによって、少なくともシールドガスが供給される内側ノズル内に高い気密空間を形成させるものである。外側ノズルの働きによって、吸引型及び加圧水型が存在し、レーザ加工ヘッドを傾斜させた形態も存在する。以下、これら各実施形態について詳細に説明する。

（１−１）吸引型レーザ加工ヘッド
本発明の第１実施形態として、吸引型レーザ加工ヘッドについて説明する。図１及び図２は、それぞれ吸引型レーザ加工ヘッドの概略側面図及び概略正面図である。なお、レーザ加工ヘッドは光学系ユニットに接続された状態で示している。

レーザ加工ヘッド１は、レーザ加工ヘッド本体部２の底部に二重ノズル４が接続されたものである。二重ノズル４には、レーザ光の外周にシールドガスを供給するシールドガス供給装置６と、シールドガスを二重ノズル４の内部から吸引するシールドガス吸引装置８とが備えられている。なお、光学系ユニット１０は、発振器１２で生成されたレーザ光の焦点位置を調整し、保護レンズ１４を介して、被加工材１６へ照射するためのものである。

レーザ加工ヘッド本体部２とシールドガス供給装置６は、シールドガス供給管１８を介してシールドガスを供給することができる。更に、レーザ加工ヘッド本体部２とシールドガス吸引装置８は、シールドガス供給管１８とは異なる位置において、シールドガス吸引管２０を介してシールドガスを吸引することができる。

二重ノズル４は、内側ノズル４Ａと外側ノズル４Ｂで構成される二重構造となっている。内側ノズル４Ａ内には、発振器１２から発生されたレーザが光学系ユニット１０を介して出力され、シールドガスの供給によって、レーザ光及びレーザ加工点（焦点）の周りをシールドガスが取り巻く環境となっている。そのため、二重ノズル４と被加工材１６の間において、気密空間２２が形成される。

より具体的には、内側ノズル４Ａ内に形成される第一の気密空間２２Ａと、内側ノズル４Ａの外周と外側ノズル４Ｂの内周内に形成される第二の気密空間２２Ｂが形成され、シールドガス吸引装置８を起動させることによって、気密空間２２内に存在する流体等（例えば、運転前から内部に存在している空気、内側ノズル４Ａ内から流れてくるシールドガス、レーザ加工により発生するヒューム等）を吸引することができる。

また、二重ノズル４は、レーザ加工点の視認性を高めるため、透明な材質で製作することが好ましい。つまり、例えば、内側ノズル４Ａをレーザ光の吸収率が高く、熱伝導性の高い材質の金属製にして、レーザ反射光が当たらないであろう部分に透明樹脂の窓を設けることによって、視認性を確保することができる。

また、二重ノズル４は、二重ノズル４と被加工材１６の気密性を保つことができる構造とすることが好ましい。具体的には、レーザ加工ヘッド１の固定に際して、断面視で等間隔にボールプランジャ２４を配置することが好ましい。

ボールプランジャ２４の下部には、球体２６が配置されている。球体２６は、バネにより押圧されると同時に、ケース２８内に支持体３０で把持されているため、被加工材１６と球体２６が接触し、球体２６に負荷が加えられた状態でも、ケース２８と球体２６は滑り摩擦にならず、転がり摩擦で接触する。そのため、被加工材１６と球体２６の間も転がり摩擦となり、レーザヘッド駆動にかかる負荷が少なく、滑らかに移動させることができる。

つまり、球体２６の前後左右方向の移動によって、被加工材１６を連続的に加工することができる。なお、支持体３０は、球状及び多角形状等であり、球体２６を支持するための部材である。更に、前後左右方向とは、レーザ加工ヘッド１の被加工材１６に対する並行移動の向きを意味し、制御によって、３６０°どの方向であっても良い。

ここで、単なるボールプランジャ２４のみを用いた場合、被加工材１６との接点でスティックスリップを起こしてしまうだけでなく、被加工材１６の表面を傷つけてしまう恐れがある。これに対し、本発明のレーザ加工ヘッド１では、ボールプランジャ２４内のバネにより、球体２６も多少出入りするため、複数個ある球体２６の二重ノズル４からの出代及び負荷荷重が均一化され、より滑らかにレーザ加工ヘッド１を移動させることができる。

また、内側ノズル４Ａ及び／又は外側ノズル４Ｂの先端には、シール部３２が配置されている。シール部３２は、内側ノズル４Ａの外周にリング状の部品があり、ボールプランジャ２４の先端に配置された球体２６の出代調整により、第２の気密空間２２Ｂへの吐出流量を調整することができる。これにより、第１の気密空間２２Ａ内で発生するヒュームの排出速度を調整することができる。

ボールプランジャ２４の上下方向の移動によって、シール部３２と被加工材１６との間隔を調整することができる。シール部３２は、外側に突出し、水圧の印加によってシール部３２のリップと被加工材１６が密着して防水するものであり、面接触が得られやすい形状のものを使用することが好ましい。なお、球体２６の出代調整により被加工材１６と二重ノズル４の隙間を適正にすると、シール部３２を使用しない場合であっても気密性を維持することができる。

また、間隔調整として、ボールプランジャ２４の側面の一部を雄ネジ形状とすると共に、外側ノズル４Ｂ、内側ノズル４Ａのうち少なくとも一方を雌ネジ形状とすることによって、ボールプランジャ２４を上下方向に移動させることができ、目視によって位置調整を行うことができる。調整する間隔としては、「被加工材１６と外側ノズル４Ｂの間隔＜被加工材１６と内側ノズル４Ａの間隔」であること、等とすることによって、内側ノズル４Ａにおける第１の気密空間２２Ａ内に供給されるシールドガスが、被加工材１６と内側ノズル４Ａの間隔を経由して、外側ノズル４Ｂにおける第２の気密空間２２Ｂ内へ移動し、最終的にシールドガス吸引装置８によって吸引される構造を形成することができる。

また、レーザ加工ヘッド本体部２と二重ノズル４の接触箇所に、弾性体３４を配置することが好ましい。内側ノズル４Ａ、外側ノズル４Ｂの少なくとも一方に弾性体３４を配置することによって、被加工材１６と二重ノズル４の間隔を補正することができる。なお、ボールプランジャ２４による間隔調整と、弾性体３４による補正とを組み合わせることによって、より効果的に気密性を保つことができる。

ボールプランジャ２４による間隔調整と弾性体３４による補正とを組み合わせ、適切な気密状態を保つことによって、従来のレーザ加工ヘッドに較べて、縦幅及び横幅のサイズをコンパクトにすることができる。例えば、レーザ加工ヘッド本体部２の縦幅＞二重ノズル４の縦幅や、レーザ加工ヘッド本体部２の横幅＞二重ノズル４の横幅を実現することによって、従来よりも狭い箇所であっても、容易に加工を行うことができる。更に、レーザ加工ヘッド本体部２と二重ノズル４は別体で構成することができ、二重ノズル４の交換も容易である。なお、レーザ加工ヘッド本体部２と二重ノズル４は一体として形成してもよい。

（１−２）加圧水型レーザ加工ヘッド
本発明の第２実施形態として、加圧水型レーザ加工ヘッドについて説明する。図３は、加圧水型レーザ加工ヘッドの概略側面図である。

レーザ加工ヘッド１は、レーザ加工ヘッド本体部２の底部に二重ノズル４が接続されたものである。二重ノズル４には、レーザ光の外周にシールドガスを供給するシールドガス供給装置６と、外側ノズル４Ｂに加圧水を供給する加圧水供給装置３６と、を備え、発振器１２で生成され、光学系ユニット１０を介して照射されるレーザ光を用いて被加工材１６を加工するためのレーザ加工ヘッドである。

ここで、二重ノズル４が内側ノズル４Ａと外側ノズル４Ｂの二重構造となっていることは、第１実施形態の場合と同様である。異なる点としては、外側ノズル４Ｂ内に加圧水供給管３８を介して加圧水供給装置３６から加圧水を供給することができる構造になっていることである。第１実施形態のように流体等を吸引する方式ではなく、内側ノズル４Ａ内へシールドガスを放出しながら、気密空間２２を形成する。更に、その際、外側ノズル４Ｂから放出する加圧水と併せて外側ノズル４Ｂの外周よりも外側へ排出する構造となっている。

また、水深のある環境下での気密空間２２の形成において、内側ノズル４Ａ内への供給ガス圧が、水圧よりも低い場合には、シールドガスが水圧により押し戻されて、気密空間２２を維持することができない。これに対し、第２実施形態の二重ノズル４においては、加圧水がシールドガスを巻き込み、外部へ排出することにより、シールドガスが連続的に供給され、気密空間２２を維持することができる。ここで、外側ノズル４Ｂへ供給する加圧水の水圧は、水深の水圧よりも高圧である必要がある。なお、内側ノズル４Ａの周囲に取付けたシール部３２（加圧水リング）は、外側に向けて加圧水を放出する形状になっている。

水中加工の場合、内側ノズル４Ａは、シールドガスの供給間に浸入した水を排出する必要があるため、被加工材１６との間にある程度の隙間を必要とする。一方で、外側ノズル４Ｂ内に残る水が再び浸入しないようにするため、被加工材１６との隙間は狭いほうが好ましい。これらの条件を共に満たす隙間幅としては、例えば０．５ｍｍを用いることができる。

加えて、外部の水が浸入しないように、外側ノズル４Ｂと被加工材１６との隙間はできるだけ狭いほうが好ましく、例えば、０．３ｍｍとすることができる。また、外部へ排出する加圧水の水膜強度により二重ノズル４内の気密空間２２を維持するため、適切な厚みの水膜を形成することができるように、加圧水の量及び速度等を適宜調整する必要がある。

（１−３）傾斜型レーザ加工ヘッド
本発明の第３実施形態として、傾斜型レーザ加工ヘッドについて説明する。図４は、傾斜型レーザ加工ヘッドの概略側面図である。なお、ここでは吸引型レーザ加工ヘッドを傾斜型とした場合について説明するが、加圧水型レーザ加工ヘッドを傾斜型としてもよい。

例えば、原子炉内でのレーザ加工を想定した場合、被加工材１６の鉛直な壁面に対して、レーザ加工ヘッド１を垂直に接触させるためには、レーザ加工ヘッド１を水平方向に向ける必要がある。しかし、水中でレーザ加工ヘッド１を水平にしてインストールした場合は、水が二重ノズル４の内部に浸入し、保護レンズ１４等の光学系に付着すると、レーザ光が乱反射し、光学系ユニット１０を破損させてしまう恐れがある。そのため、レーザ加工ヘッド１においては、レーザ加工ヘッド１の中心軸（Ｌ１）を５〜４５°程度傾斜させることによって、気密空間２２を保ったままレーザ加工ヘッド１を水中にインストールできる構造となっている。なお、当該傾斜のより好ましい角度は１０〜３０°であり、最も好ましい角度は１５〜２５°である。

二重ノズル４は、レーザ加工ヘッド１の中心軸（Ｌ１）に対して、二重ノズル４の長さが非対称の形状となっている。ここで、レーザ加工ヘッド１を５〜４５°傾斜させた状態で、気密空間２２及び二重ノズル４を最小とするためには、二重ノズル４の断面形状を台形とする必要がある。

気密空間２２内において、シールドガス供給装置６から供給されるシールドガスをシールドガス吸引装置８によって吸引することによって、ヒューム等を外部へ排出することができる。

また、レーザ加工ヘッド本体部２の下方にパージガス供給装置４０を配置することが好ましい。レーザ光が照射された被加工材１６の一部に対して、パージガス供給装置４０からパージガスを供給することによって、被加工材１６の表面の水分を除去すると共に、外部からの水の浸入を防ぐことができる。そのため、溶融池が被加工材１６の裏面に押し込まれ、良質の裏面ビードを形成することができる。またパージガス供給装置４０によってパージガスを供給するため、パージガス供給装置４０を使用する前よりも、気密空間２２内の気体やヒュームの量が多くなる。そのため、更にヒューム吸引装置４２を配置することによって、シールドガス吸引装置８との組合せによって、通常よりも気体やヒュームを多く吸引及び排出することができる。なお、パージガスの供給量を変更することで、二重ノズル部４内の圧力を調整することができる。

更に、パージガス供給装置４０から供給されるパージガスの噴射方向において、ビード逃げ溝４４を形成することが好ましい。ビード逃げ溝４４を形成することによって、溶融池の押し込みをより効果的に行うことができる。

更に、ヒューム吸引装置４２を備えることによって、パージガスの排出を効果的に行うことができる。

（２）レーザ加工方法
本発明のレーザ加工方法は、本発明のレーザ加工ヘッドを用いて行うことができる。被加工材１６は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の金属材を用いることができる。また、使用するレーザも本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々のレーザを用いることができる。

本発明のレーザ加工方法は、シール部３２を被加工材１６に当接させ、二重ノズル部４内に少なくとも一つの気密空間を形成させ、レーザ加工を施すものである。本発明のレーザ加工方法においては、球体２６の上下移動によって、シール部３２と被加工材１６との間隔を調整すること、が好ましい。レーザ加工ヘッド１は、ボールプランジャ２４の先端に配置された球体２６の出代調整により前記間隔を調整することができ、内側ノズル４Ａ内で発生するヒュームの排出速度を調整することができる。

また、本発明のレーザ加工方法においては、被加工材１６と外側ノズル４Ｂとの間隔を、被加工材１６と内側ノズル４Ａとの間隔よりも小さくすること、が好ましい。被加工材１６と外側ノズル４Ｂとの間隔を、被加工材１６と内側ノズル４Ａとの間隔よりも小さくすることで、内側ノズル４Ａ内に供給されるシールドガスは被加工材１６と内側ノズル４Ａとの隙間を経由して、外側ノズル４Ｂ内の気密空間２２へ移動する。その後、シールドガス吸引装置８によって当該シールドガスを吸引することによって、効率的かつ確実に、二重ノズル４内に気密空間２２を形成することができる。

また、本発明のレーザ加工方法においては、球体２６による前後左右の移動によって、被加工材１６を連続的に加工すること、が好ましい。ボールプランジャ２４の下部に配置された球体２６の前後左右の移動を用いることで、被加工材１６と二重ノズル４底部とが接触した場合に転がり摩擦となり、レーザ加工ヘッド１の駆動にかかる負荷が小さく、レーザ加工ヘッド１を滑らかに移動させることができる。その結果、被加工材１６に対する連続的な加工を容易に行うことができる。

更に、本発明のレーザ加工方法においては、レーザの照射軸を被加工材１６表面の法線に対して５〜４５°傾斜させること、が好ましい。傾斜型のレーザ加工ヘッド１を用いることで、レーザの照射軸を被加工材１６表面の法線に対して５〜４５°傾斜させることができる。その結果、乱反射したレーザ光による光学系の破損を効果的に抑制することができる。なお、当該角度のより好ましい角度は１０〜３０°であり、最も好ましい角度は１５〜２５°である。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

≪実施例１≫
図５に示す吸引型レーザ加工ヘッドを用い、被加工面に見立てたアクリル板にノズルを押し当て、ノズル姿勢が垂直方向と水平方向の場合で空洞形成を確認した。垂直方向及び水平方向の状況を、図６及び図７にそれぞれ示す。

垂直方向、水平方向のいずれにおいても、シールドガスが内側ノズル４Ａに供給されると、瞬時に内部が空洞化された。また、二重ノズル４を被加工面に押し当てたまま移動させても、二重ノズル４外にシールドガスが漏れないことが確認された（シールドガス流量：３０Ｌ／ｍｉｎ、０．５ＭＰａ）。

吸引型レーザ加工ヘッドを水中にインストールする際は、シールドガスを微量に供給すると、シールドガスは二重ノズル４外に漏れなかった。なお、内側ノズル４Ａから外に漏れたシールドガスは、外側ノズル４Ｂ内を浮上して自然に排出されるため、インストール時に吸引を行う必要はなかった。

≪実施例２≫
図８に示す加圧水型レーザ加工ヘッドを用い、水中及び気中で空洞形成を確認した。水中及び気中の状況を、図９及び図１０にそれぞれ示す。

図１０より、加圧水によって内側ノズル４Ａのシールドガスはノズル周囲の水中に拡散するが、内側ノズル４Ａの空洞は保たれていることが分かる。また、加圧水の供給を止めた場合においても、ノズル外部の水がノズル内に浸入することはなく、空洞形成は保たれた。なお、加圧水及び内側ノズル４Ａのシールドガスの供給を止めた場合は、水圧により徐々にシールドガスが押し戻され、内側ノズル４Ａに水が浸入した。

図１１より、気中で加圧水を噴射した場合、加圧水が３６０°周囲に広がり、水膜が形成されていることが分かる。外側ノズルを調整して加圧水の吐出隙間を狭くすると、加圧水の水圧が上昇し、水膜の勢いを強くすることができた。

１・・・レーザ加工ヘッド、
２・・・レーザ加工ヘッド本体部、
４・・・二重ノズル、
４Ａ・・・内側ノズル、
４Ｂ・・・外側ノズル、
６・・・シールドガス供給装置、
８・・・シールドガス吸引装置、
１０・・・光学系ユニット、
１２・・・発振器、
１４・・・保護レンズ、
１６・・・被加工材、
１８・・・シールドガス供給管、
２０・・・シールドガス吸引管、
２２・・・気密空間、
２２Ａ・・・第１の気密空間、
２２Ｂ・・・第２の気密空間、
２４・・・ボールプランジャ、
２６・・・球体、
２８・・・ケース、
３０・・・支持体、
３２・・・シール部、
３４・・・弾性体、
３６・・・加圧水供給装置、
３８・・・加圧水供給管、
４０・・・パージガス供給装置、
４２・・・ヒューム吸引装置、
４４・・・ビード逃げ溝。

Claims (13)

1. レーザ加工ヘッド本体部と、
   内側ノズルと外側ノズルを有する二重ノズル部と、
   前記内側ノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、
   前記外側ノズルからシールドガスを吸引するシールドガス吸引装置と、を備え、
   前記二重ノズル部は前記レーザ加工ヘッド本体部の底部に連結され、
   前記シールドガス供給装置はシールドガス供給管を介して前記二重ノズル部に連結され、
   前記シールドガス吸引装置はシールドガス吸引管を介して前記二重ノズル部に連結されていること、
   を特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. レーザ加工ヘッド本体部と、
   内側ノズルと外側ノズルを有する二重ノズル部と、
   前記内側ノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給装置と、
   前記外側ノズルに加圧水を供給する加圧水供給装置と、を備え、
   前記二重ノズル部は前記レーザ加工ヘッド本体部の底部に連結され、
   前記シールドガス供給装置はシールドガス供給管を介して前記二重ノズル部に連結され、
   前記加圧水供給装置は加圧水供給管を介して前記二重ノズル部に連結されていること、
   を特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 前記内側ノズル及び／又は前記外側ノズルの内周底部にボールプランジャを備え、
   前記ボールプランジャの下部に球体が配置されていること、
   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. 前記内側ノズル及び／又は前記外側ノズルの底部にシール部を備えること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記二重ノズル部の長さが非対称であり、前記二重ノズル部底面の法線と前記レーザ加工ヘッドの中心軸とがなす角度が５〜４５°となること、
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
6. レーザ光を照射される被加工材の一部に対してパージガスを供給するためのパージガス供給装置を備えること、
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
7. 前記パージガス供給装置から供給されるパージガスの噴射方向にビード逃げ溝を有すること、
   を特徴とする請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
8. 前記二重ノズル部内のパージガスを排気するための排出部を備えること、
   を特徴とする請求６又は７に記載のレーザ加工ヘッド。
9. 請求項４〜８のいずれかに記載のレーザ加工ヘッドを用いてレーザ加工を行う方法であって、
   前記シール部を被加工材に当接させ、
   前記二重ノズル部内に少なくとも一つの気密空間を形成させること、
   を特徴とするレーザ加工方法。
10. 前記球体の上下移動によって、前記シール部と前記被加工材との間隔を調整すること、
    を特徴とする請求項９に記載のレーザ加工方法。
11. 前記被加工材と前記外側ノズルとの間隔を、前記被加工材と前記内側ノズルとの間隔よりも小さくすること、
    を特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工方法。
12. 前記球体による前後左右の移動によって、前記被加工材を連続的に加工すること、
    を特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のレーザ加工方法。
13. レーザの照射軸を被加工材表面の法線に対して５〜４５°傾斜させること、
    を特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載のレーザ加工方法。