JP2017131904A - 雰囲気制御レーザ加工用ヘッド及び雰囲気制御レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の形状及び大きさの被接合材に対して容易かつ簡便に、十分な溶け込み深さが確保される雰囲気制御レーザ加工を長時間安定して行うことができるレーザ加工用ヘッドを提供すると共に、溶接姿勢の自由度が大きく、複数のレーザ加工用ヘッドを用いて低真空レーザ溶接を含む雰囲気制御レーザ加工を簡便に施すことができるレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工ヘッドに接続して用いる雰囲気制御レーザ加工用ヘッドであって、本体部と、レーザ光の光軸に沿って、本体部の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズルと、シールドガス導入管と、排気管と、真空ベローズと、を備え、本体部の内部は金属蒸気付着防止用ノズルによって上側内部空間と下側内部空間とに分割され、シールドガス導入管は上側内部空間に連通し、排気管は下側内部空間に連通し、真空ベローズは本体部の底部に連結されていること、を特徴とする雰囲気制御レーザ加工用ヘッド。【選択図】図１

Description

本発明はレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工方法に関し、より具体的には、雰囲気制御レーザ加工に好適に用いることができるレーザ加工用ヘッド及び当該レーザ加工用ヘッドを用いたレーザ加工方法に関する。

高エネルギー密度のビームを集中させるレーザ溶接は、アーク溶接と比較して深溶け込みが得られやすい。また、比較的小さな入熱量で深溶け込みが得られるため、被溶接材の変形量が小さく、被溶接材に与える熱影響も小さくなる。このような種々の利点を有するレーザ溶接は、造船や自動車に代表される各種構造物の製造現場における利用が急速に拡大している。

一方で、構造物の多様化に伴って厚板に対する溶接が求められており、特に深い溶け込み深さが求められる場合には、主として電子ビーム溶接が検討されてきた。例えば、特殊な大型の電子ビーム溶接装置を用いることで、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板に対して１０ｃｍ以上の溶け込み深さが得られている（非特許文献１）。しかしながら、電子ビーム溶接は高真空環境下で行う必要があり、装置が複雑かつ高価になると共に、被接合材のサイズも制限されてしまう。

これに対し、近年、レーザ溶接においても厚板溶接に関する種々の検討がなされている。例えば、特許文献１（特開２０１１−２４０３６５号公報）においては、低真空雰囲気下で、レーザ光により溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザ光の光軸に沿って、溶接部と所定の間隔を設けて配置され、上端には透過窓が設けられ、下端は雰囲気制御域内に開口しているシールドガス筒と、当該シールドガス筒の透過窓側からシールドガス筒内部へシールドガスを導入するシールドガス供給手段と、を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置が提案されている。

前記特許文献１に記載のレーザ溶接装置においては、透過窓と溶接部との間にエアシールドが形成されるため、低真空下において非常に速い速度で透過窓方向に噴出する金属蒸気の飛翔をブロックして、透過窓への金属蒸気の付着を防止することができ、低真空雰囲気下において、十分な溶け込み深さが確保される溶接を長時間安定して行うことができる、としている。

また、特許文献２（特開２０１４−５７９８５号公報）においては、溶接対象の表面に対向する縁部を有し、溶接対象の表面との間で真空空間を画成する真空チャンバーと、縁部の全周にわたって縁部と溶接対象との間に介在されるシール部と、真空空間内で溶接対象の表面に溶接を施す溶接ヘッドと、溶接対象を真空チャンバーに対して相対移動させる移動部と、シール部に予め荷重を加える予圧部と、を備え、シール部は、弾性材料からなり縁部に沿って延びる第一シール部材と、少なくとも溶接ビードが通過する相対移動方向の後方側に配置され、第一シール部材よりも可撓性の高い第二シール部材と、を有することを特徴とする移動型真空溶接装置が提案されている。

前記特許文献２に記載の移動型真空溶接装置においては、溶接ビードが第二シール部材を通過する際、第二シール部材が溶接ビードのうねりに追従するため、シール部からの漏れを防止し、真空チャンバー内の真空を確保することができる、としている。

特開２０１１−２４０３６５号公報 特開２０１４−５７９８５号公報

Ｙｏｓｈｉａｋｉ Ａｒａｔａ ａｎｄ Ｍｉｃｈｉｏ Ｔｏｍｉｅ，１００−ｋＷ Ｃｌａｓｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｒｅｐｏｒｔ Ｉ） ―Ｗｅｌｄｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｓｏｍｅ Ａｓｐｅｃｔｓ ａｓ ａ Ｈｅａｔ Ｓｏｕｒｃｅ―，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＪＷＲＩ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１，１９７３ ｐｐ．１７−２０

しかしながら、前記特許文献１に記載のレーザ溶接装置には低真空雰囲気を実現するためのチャンバーとレーザ照射装置が一体となった構成が必要不可欠で、小型化が困難であることに加え、チャンバーの形状及びサイズによって被溶接材が制限されてしまう。更に、レーザ照射装置がチャンバーと一体となっていることから溶接姿勢の自由度が小さく、複数のレーザ加工ヘッドを使用して溶接をすることもできない。

また、前記特許文献２に記載の移動型真空溶接装置においては、真空溶接装置の移動に伴うシール部からの漏れを完全に抑制することは困難であり、特に真空とする空間が大きい場合には深刻な問題となる。更に、レーザ出力が大きい場合には透過窓への金属蒸気の付着を防止することができず、低真空雰囲気下において、十分な溶け込み深さが確保される溶接を長時間安定して行うことができない。なお、溶接姿勢の自由度が小さく、複数のレーザ加工ヘッドを使用して溶接をすることができないことについては、前記特許文献１に記載のレーザ溶接装置と同様である。また、真空度だけでなく、雰囲気を制御することができれば、レーザ加工条件の自由度を高めることができる。

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、種々の形状及び大きさの被接合材に対して容易かつ簡便に、十分な溶け込み深さが確保される雰囲気制御レーザ加工を長時間安定して行うことができるレーザ加工用ヘッドを提供することにある。また、本発明の別の目的は、本発明のレーザ加工用ヘッドを用いたレーザ加工方法であって、溶接姿勢の自由度が大きく、複数のレーザ加工用ヘッドを用いて低真空レーザ溶接を含む雰囲気制御レーザ加工を簡便に施すことができる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、レーザ加工用ヘッド及び当該レーザ加工用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、レーザ加工用ヘッドに真空チャンバー内の真空度調節機能を内蔵させつつ当該真空チャンバーから独立させること等が極めて効果的であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
レーザ加工ヘッドに接続して用いる雰囲気制御レーザ加工用ヘッドであって、
本体部と、
レーザ光の光軸に沿って、前記本体部の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズルと、
シールドガス導入管と、
排気管と、
真空ベローズと、を備え、
前記本体部の内部は前記金属蒸気付着防止用ノズルによって上側内部空間と下側内部空間とに分割され、
前記シールドガス導入管は前記上側内部空間に連通し、
前記排気管は前記下側内部空間に連通し、
前記真空ベローズは前記本体部の底部に連結されていること、
を特徴とする雰囲気制御レーザ加工用ヘッド、を提供する。

低真空雰囲気下における溶接の場合、レーザ光の照射により発生する金属蒸気（プルーム）が１００ｍ／ｓ（時速３６０ｋｍ）という高速で噴出するため、金属蒸気がレーザ光透過窓にまで達して付着することを防止することが困難である。ここで、溶接箇所から噴出して透過窓に付着した金属蒸気はレーザ光を遮り、溶接を不安定にさせるため、安定して十分な溶け込み深さが確保された溶接を行うことが困難となり、溶接品質がばらついてしまう。更に、金属蒸気の付着が進行すると透過窓が破損するか、溶接自体が不能となる。

これに対し、本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドにおいては、レーザ光の光軸に沿って、本体部の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズルからシールドガスを排出させることにより、低真空レーザ溶接中に発生する金属蒸気がレーザ光透過窓にまで達して付着することを防止することができるため、十分な溶け込み深さが確保される雰囲気制御レーザ加工を長時間安定して行うことができる。

また、別途準備した真空チャンバーに真空ベローズを連結させ、本体部の下側内部空間に備えられた排気管から排気を行うことで、当該真空チャンバーの真空度を制御することができる。なお、本発明のレーザ加工用ヘッド及びレーザ加工方法において、「低真空雰囲気」とは、０．０１〜３０ｋＰａ程度の圧力である雰囲気を意味する。

本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドにおいては、前記下側内部空間に断熱材を備えること、が好ましい。下側内部空間に断熱材を備えることでレーザ加工ヘッド本体部への入熱を低減することができ、当該本体部の損傷を抑制することができる。加えて、当該断熱材が金属蒸気をトラップするフィルターとしても機能し、レーザ加工ヘッド本体部を良好な状態に維持することができる。

断熱材には、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の断熱材を用いることができるが、例えば、市販のグラスウールを好適に用いることができる。また、グラスウールと金属メッシュを重ねて使用することで、十分な耐久性を具備させることができる。また、金属メッシュ及び／又はグラスウールへの金属蒸気付着量が多くなり真空度調節機能が低下する場合、安価な金属メッシュ及び／又はグラスウールを交換することで当該機能を回復させることができる。なお、主にグラスウールは金属蒸気に対するホットトラップ機能を有し、金属メッシュは当該グラスウールの吸引を防止する機能を有する。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドにおいては、前記シールドガス導入管からシールドガスを導入するシールドガス供給手段と、前記排気管から前記シールドガス及び／又は大気を排気する排気手段と、を備えること、が好ましい。

シールドガス供給手段によって金属蒸気付着防止用ノズルの内部にシールドガスを供給することができ、排気手段によって真空チャンバーに連結させた本体部の下側内部空間を減圧することで、真空チャンバー内の真空度及び雰囲気を調節することができる。なお、シールドガスの供給により、最終的な真空チャンバー内の圧力を大気圧としてもよい。

また、本発明は、
本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いた雰囲気制御レーザ加工方法であって、
連結孔を備えたチャンバー内に被加工材を配置する第一工程と、
前記真空ベローズを前記チャンバーに密着させ、前記連結孔からの前記シールドガスの導入及び前記排気によって、前記チャンバー内を任意の雰囲気状態とする第二工程と、
前記被加工材にレーザを照射する第三工程と、を有すること、
を特徴とする雰囲気制御レーザ加工方法、も提供する。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、被加工材を配置するチャンバーと雰囲気制御レーザ加工用ヘッドとが独立していることに加えて雰囲気制御レーザ加工用ヘッドがチャンバー内の真空度を調節する機能を有していることから、チャンバーに要求されるのは気密性の確保程度である。その結果、被加工材の形状及び大きさに応じたチャンバーを容易に準備することができる。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、前記第三工程におけるレーザ出力を３０〜１００ｋＷとすること、が好ましい。低真空雰囲気下においてレーザ出力を３０〜１００ｋＷと極端に大きくすることで、顕著な溶け込み深さ（例えば、鉄鋼材に関しては５０ｍｍ以上の溶け込み深さ）を得ることができる。ここで、レーザ出力を３０ｋＷ以上とすることで、金属厚板材（鉄鋼材に関しては板厚５０ｍｍ以上）を安定的にレーザ溶接することができ、レーザ出力を１００ｋＷ以下とすることで、現状存在する産業利用可能なレーザ発振機を用いて溶接を行うことができる。

金属蒸気付着防止用ノズルと被加工部との間には、金属蒸気が周囲に飛散できると共に、シールドガスが被加工部に直接吹き付けられることがない一定の間隔を設けることが好ましい。透過窓側から被加工部側に向けて流れるシールドガスによりエアシールドを形成させることで、金属蒸気の透過窓への付着を効果的に抑制することができる。

ここで、シールドガス筒と被加工部との間に設けられる「所定の間隔」としては、具体的には５０〜３００ｍｍ程度が好ましい。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、焦点距離が３５０ｍｍ以上の長焦点レーザ加工装置を用いること、が好ましい。焦点距離が３５０ｍｍ以上の長焦点レーザ加工装置を用いることで、焦点深度が深くレイリー長が長い集光光学系を構成できるため、厚さのある部材であっても、ビード幅を小さく、溶け込み深さを深くすることができ、より高品質な加工を実現することができる。加えて、ビード幅を小さくすることができるため、精密部品等の加工にも好適に用いることができる。

更に、長焦点レーザ加工装置を用いることで、金属蒸気付着防止用ノズルと被加工部との間隔を十分に確保することができ、透過窓への金属蒸気の付着をより確実に抑制できると共に、金属蒸気付着防止用ノズルを通過したシールドガスは、被加工部に到達することなく拡散され、加工に悪影響を及ぼすことがない。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法に用いるレーザは、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、前記全圧を０．１〜１０ｋＰａとすること、が好ましい。レーザ加工を行う雰囲気の全圧を０．１以上とすることで溶融金属中のポロシティ発生を抑制することができ、１０ｋＰａ以下とすることで効率的に溶け込み深さを大きくすることができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、レーザの移動速度を０．５ｍ／分以下とすること、が好ましい。レーザの移動速度を０．５ｍ／分以下とすることで、効率的に溶け込み深さを増加させることができる。

また、先細り形状の金属蒸気付着防止用ノズルを用いることで、シールドガスの流速を大きくすることができ、レーザ出力を１００ｋＷとした場合であっても、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド本体部の上側内部空間への金属蒸気の上昇を防止することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、２つ以上の前記連結孔を備えた前記チャンバー内に前記被加工材を配置し、前記連結孔と同数の前記雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いること、が好ましい。複数の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いることで、効率的に加工を行うことができるのみならず、チャンバー内の真空度を精密に管理することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、前記チャンバー内の全圧が指定圧力に到達したことをトリガーとして、前記第三工程を自動的に開始すること、が好ましい。チャンバー内の全圧は適当な真空計で容易にモニタリングすることができるため、レーザ加工開始の信号として好適に用いることができる。

更に、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、前記被加工材が鉄鋼材又はアルミニウム材であること、が好ましい。本発明の雰囲気制御レーザ加工方法が対象とする被加工部材は、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の金属材を用いることができるが、鉄鋼材又はアルミニウム材のレーザ加工に関し、金属蒸気によるレーザ透過窓等の汚染を確実に抑制することができる。また、鉄鋼材を用いることで、より確実に厚板の加工を達成することができる。

本発明の低真空用レーザ加工用ヘッドによれば、種々の形状及び大きさの被接合材に対して容易かつ簡便に、十分な溶け込み深さが確保される雰囲気制御レーザ加工を長時間安定して行うことができるレーザ加工用ヘッドを提供することができる。また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法によれば、溶接姿勢の自由度が大きく、複数のレーザ加工用ヘッドを用いて低真空レーザ溶接を含む雰囲気制御レーザ加工を簡便に施すことができるレーザ加工方法を提供することができる。

本発明の実施に用いる雰囲気制御レーザ加工ヘッドの一例を示す概略構成図である。 雰囲気制御レーザ加工ヘッド１の使用状況を示す概略構成図である。 本発明の雰囲気制御レーザ加工方法の工程図である。 実施例における装置配置の概観写真である。 雰囲気制御レーザ加工を施したステンレス鋼板の概観写真である。 雰囲気制御レーザ加工を施したアルミニウム合金板の概観写真である。 雰囲気制御レーザ加工後の雰囲気制御レーザ加工ヘッドの写真である。

以下、図面を参照しながら本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド及び雰囲気制御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、同一また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）雰囲気制御レーザ加工用ヘッド
図１は、本発明の実施に用いる雰囲気制御レーザ加工用ヘッドの一例を示す概略構成図である。雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１は、本体部２と、レーザ光Ｒの光軸に沿って、本体部２の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズル４と、シールドガス導入管６と、排気管８と、真空ベローズ１０と、を備え、本体部２の内部は金属蒸気付着防止用ノズル４によって上側内部空間１２と下側内部空間１４とに分割され、シールドガス導入管６はシールドガス導入孔１６を介して上側内部空間１２に連通し、排気管８は排気孔１８を介して下側内部空間１４に連通し、真空ベローズ１０は本体部２の底部に連結されている。

また、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１の上端部には透過窓を含む光学系２０及びパッキン２２が配置され、真空ベローズ１０と本体部２の下端部の間、及び真空ベローズ１０の底部にもパッキン２２が配置されている。パッキン２２によって、上側内部空間１２及び下側内部空間１４の気密性を高めることができる。

別途準備した真空チャンバーに真空ベローズ１０を連結させ、本体部２の下側内部空間１４に備えられた排気管８から排気を行うことで、下側内部空間１４及び真空チャンバー内の真空度を制御することができる。また、上側内部空間１２の真空度は、シールドガス導入管６からのシールドガス供給量と真空チャンバー内の真空度とのバランスによって決定される。ここで、上側内部空間１２及び下側内部空間１４の真空度及び雰囲気等をモニタリングするため、それぞれに雰囲気圧力・濃度センサ２４を設けることが好ましい。ここで、真空チャンバー内を減圧した後、シールドガスの供給によって雰囲気置換することで、例えば、略大気圧の任意の雰囲気とすることもできる。

また、真空ベローズ１０の底部にカップリング凸部２５を設け、真空チャンバーに設けられたカップリング凹部２５’と嵌合させる構造とすることで、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１と真空チャンバーとの連結を容易に行うことができる。

雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１においては、レーザ光Ｒの光軸に沿って、本体部２の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズル４からシールドガスを排出させることにより、低真空レーザ溶接中に発生する金属蒸気がレーザ光透過窓を含む光学系２０にまで達して付着することを防止することができるため、十分な溶け込み深さが確保される雰囲気制御レーザ加工を長時間安定して行うことができる。

また、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１においては、下側内部空間１４に断熱材２６を備えること、が好ましい。下側内部空間１４に断熱材２６を備えることで本体部２への入熱を低減することができ、本体部２の損傷を抑制することができる。加えて、断熱材２６が金属蒸気をトラップするフィルターとしても機能し、本体部２を良好な状態に維持することができる。

断熱材２６には、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の断熱材を用いることができるが、例えば、市販のグラスウールを好適に用いることができる。また、グラスウール２８と金属メッシュ３０を重ねて断熱材２６とすることで、十分な耐久性を具備させることができる。また、金属メッシュ３０及び／又はグラスウール２８への金属蒸気付着量が多くなり真空度調節機能が低下する場合、安価な金属メッシュ３０及び／又はグラスウール２８を交換することで当該機能を回復させることができる。なお、主にグラスウール２８は金属蒸気に対するホットトラップ機能を有し、金属メッシュ３０はグラスウール２８の吸引を防止する機能を有する。

また、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１においては、シールドガス導入管６からシールドガスを導入するため、シールドガス供給手段３２を備えていることが好ましい。更に、排気管８からの排気によって下側内部空間１４及び真空チャンバー内の真空度を制御する必要があるため、真空ポンプ３４を備えていることが好ましい。

金属蒸気付着防止用ノズル４の内径や長さは、シールドガスの種類、被加工材、加工エネルギー、レーザ光の焦点距離などに応じて、適宜変更することができる。

金属蒸気付着防止用ノズル４の底辺開口円部と上辺開口円部の直径は、レーザ光Ｒのスポット径の約２倍程度とすることが好ましい。金属蒸気付着防止用ノズル４の底辺開口円部と上辺開口円部の直径をレーザ光Ｒのスポット径の約２倍程度とすることで、シールドガスの流速を大きくしても侵入を防止することができない飛散溶融金属（スパッタ）といった固体物の侵入を、レーザ光Ｒの照射により防止することができる。

（２）雰囲気制御レーザ加工方法
図２は、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１の使用状況を示す概略構成図である。雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１を用いて本発明の雰囲気制御レーザ加工方法を実施する場合、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１の上端部にレーザ発振器３６、光ファイバー３８、加工ヘッド４０及び光学系４２から構成されるレーザ部４４を接続し、下端部に真空チャンバー４６を接続する。ここで、真空チャンバー４６には少なくとも一つの連結孔４８が設けられており、連結孔４８を真空ベローズ１０で完全に覆う状態で密着・固定することで、雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１と真空チャンバー４６との接続が達成される。なお、真空チャンバー４６の材質は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、アクリル樹脂製とすることが好ましい。

ここで、連結孔４８への雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１の固定作業は手動で行ってもよいが、自動制御されたロボットに雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１を担持させ、所謂ツールチェンジャーのような態様で固定することもできる。

被加工材５０は移送装置５２に固定された状態で真空チャンバー４６内に配置され、接続孔４４から照射されるレーザ光Ｒによって加工される。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、被加工材５０を配置する真空チャンバー４６と雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１とが独立していることに加えて雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１が真空チャンバー４６内の真空度を調節する機能を有していることから、真空チャンバー４６に要求されるのは気密性程度である。その結果、被加工材５０の形状及び大きさに応じた真空チャンバー４６を容易に準備することができる。

図３は、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法の工程図である。本発明のレーザ加工方法は、本発明の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１を用いた雰囲気制御レーザ加工方法であって、連結孔４８を備えた真空チャンバー４６内に被加工材５０を配置する第一工程（Ｓ０１）と、真空ベローズ１０を真空チャンバー４６に密着させ、連結孔４８からのシールドガスの導入及び排気によって、真空チャンバー４６内を任意の雰囲気状態とする第二工程（Ｓ０２）と、被加工材５０にレーザ光Ｒを照射する第三工程（Ｓ０３）と、を有すること、を特徴としている。

第二工程（Ｓ０２）においては、真空チャンバー４６に連結した雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１により、真空チャンバー４６内の全圧及び雰囲気を調整する。具体的には、真空ポンプ３４によって下側内部空間１４を減圧することで、真空チャンバー４６内を減圧する。加えて、シールドガス供給手段３２により真空チャンバー４６内にアルゴンや窒素等のシールドガスを供給し、当該ガス供給と真空ポンプ３４による排気とのバランスにより、真空チャンバー４６内の全圧及び雰囲気が決定される。

シールドガスは、金属蒸気付着防止用ノズル４を通って下方に流れ、真空チャンバー４６内に流入した後、加工部で発生するプルームと共に真空ポンプ３４により真空チャンバー４６外へ排出される。加工中は、真空ポンプ３４により、真空チャンバー４６内は、０．０１〜３０ｋＰａに制御される。ここで、好ましくは真空チャンバー４６内を０．１〜１０ｋＰａとすることが好ましい。真空チャンバー４６内の全圧を０．１以上とすることで溶接金属中のポロシティ発生を抑制することができ、１０ｋＰａ以下とすることで効率的に溶け込み深さを大きくすることができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、第三工程（Ｓ０３）におけるレーザ出力を３０〜１００ｋＷとすること、が好ましい。低真空雰囲気下においてレーザ出力を３０〜１００ｋＷと極端に大きくすることで、顕著な溶け込み深さ（例えば、鉄鋼材に関しては５０ｍｍ以上の溶け込み深さ）を得ることができる。ここで、レーザ出力を３０ｋＷ以上とすることで、金属厚板材（鉄鋼材に関しては板厚５０ｍｍ以上）を安定的にレーザ溶接することができ、レーザ出力を１００ｋＷ以下とすることで、現状存在する産業利用可能なレーザ発振機を用いて溶接を行うことができる。

金属蒸気付着防止用ノズル４と被加工材５０との間には、金属蒸気が周囲に飛散できると共に、金属蒸気付着防止用ノズル４から供給されるシールドガスが被加工部に直接吹き付けられることがない一定の間隔を設けることが好ましい。ここで、透過窓を含む光学系２０側から被加工部側に向けて流れるシールドガスによりエアシールドを形成させることで、金属蒸気の透過窓への付着を効果的に抑制することができる。

ここで、金属蒸気付着防止用ノズル４と被加工部との間に設けられる「所定の間隔」としては、具体的には５０〜３００ｍｍ程度が好ましい。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法を用いたレーザ加工中において、被加工材５０へのレーザ照射によって金属蒸気が発生するが、金属蒸気付着防止用ノズル４から排出されるシールドガスにより、金属蒸気付着防止用ノズル４内部への当該金属蒸気の侵入が抑制される。また、真空ポンプ３４によって下側内部空間１４が減圧されていることから、金属蒸気は下側内部空間１４の方向に吸引され、断熱材２６にトラップされることになる。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、焦点距離が３５０ｍｍ以上の長焦点レーザ加工装置を用いること、が好ましい。焦点距離が３５０ｍｍ以上の長焦点レーザ加工装置を用いることで、焦点深度が深くレイリー長が長い集光光学系を構成できるため、厚さのある部材であっても、ビード幅を小さく、溶け込み深さを深くすることができ、より高品質な加工を実現することができる。加えて、ビード幅を小さくすることができるため、精密部品等の加工にも好適に用いることができる。

更に、長焦点レーザ加工装置を用いることで、金属蒸気付着防止用ノズル４と被加工部との間隔を十分に確保することができ、透過窓への金属蒸気の付着をより確実に抑制できると共に、金属蒸気付着防止用ノズル４を通過したシールドガスは、被加工部に到達することなく拡散され、加工に悪影響を及ぼすことがない。

レーザ光Ｒの光軸と被加工材５０の表面とは直交し、照射箇所でのレーザ光Ｒのスポット径は１００〜１５００μｍ程度に設定され、加工時の焦点は、被加工材５０の表面より下方０〜１０ｍｍに制御されていることが好ましい。

本発明の雰囲気制御レーザ加工方法に用いるレーザは、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、レーザの移動速度を０．５ｍ／分以下とすること、が好ましい。レーザの移動速度を０．５ｍ／分以下とすることで、効率的に溶け込み深さを増加させることができる。

また、先細り形状の金属蒸気付着防止用ノズル４を用いることで、シールドガスの流速を大きくすることができ、レーザ出力を例えば１００ｋＷと極めて大きくした場合であっても、本体部２の上側内部空間１２への金属蒸気の上昇を防止することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、２つ以上の連結孔４８を備えた真空チャンバー４６内に被加工材５０を配置し、連結孔４８と同数の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１を用いること、が好ましい。複数の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド１を用いることで、効率的に加工を行うことができるのみならず、真空チャンバー４６内の真空度を精密に管理することができる。

また、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、真空チャンバー４６内の全圧が指定圧力に到達したことをトリガーとして、第三工程（Ｓ０３）を自動的に開始すること、が好ましい。真空チャンバー４６内の全圧は適当な真空計で容易にモニタリングすることができるため、レーザ加工開始の信号として好適に用いることができる。

更に、本発明の雰囲気制御レーザ加工方法においては、被加工材４２が鉄鋼材又はアルミニウム材であること、が好ましい。本発明の雰囲気制御レーザ加工方法が対象とする被加工材４２は、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の金属材を用いることができるが、鉄鋼材又はアルミニウム材のレーザ加工に関し、金属蒸気によるレーザ透過窓等の汚染を確実に抑制することができる。また、鉄鋼材を用いることで、より確実に厚板の加工を達成することができる。

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。

図１に示す構成を有する雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いて、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４，１５０ｍｍ×８０ｍｍ×１５０ｍｍ）及びアルミニウム合金板（Ａ５０５２，１５０ｍｍ×８０ｍｍ×１５０ｍｍ）に対して雰囲気制御レーザ加工を施した。装置配置の概観写真を図４に示す。

レーザにはファイバーレーザ（プロセスファイバー：φ０．５ｍｍ，スポット径：φ１ｍｍ）を用い、レーザ出力：６０ｋＷ、焦点外し距離±０ｍｍ、雰囲気圧力：１ｋＰａ、シールドガス（アルゴン）流量：６．９ｌ／ｍｉｎとした。また、レーザ移動速度はステンレス鋼板の場合は１ｍ／ｍｉｎ、アルミニウム合金板の場合は０．６ｍ／ｍｉｎとした。

なお、雰囲気制御レーザ加工用ヘッドに連結されたロータリーポンプによって真空チャンバー内を減圧した後、シールドガス（アルゴン）を流通させることで真空チャンバー内の圧力が１ｋＰａとなるように調節した。

ステンレス鋼板に形成されたビードの概観写真を図５、アルミニウム合金板に形成されたビードの概観写真を図６にそれぞれ示す。また、使用後の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドの写真を図７に示す。図５及び図６に示されているようなレーザ加工が施されているにもかかわらず、金属蒸気による雰囲気制御レーザ加工用ヘッドの汚染は認められない。更に、従来の低真空レーザ加工と比較して、金属蒸気による真空チャンバー内の汚染も飛躍的に低減されていた。

１・・・雰囲気制御レーザ加工用ヘッド、
２・・・本体部、
４・・・金属蒸気付着防止用ノズル、
６・・・シールドガス導入管、
８・・・排気管、
１０・・・真空ベローズ、
１２・・・上側内部空間、
１４・・・下側内部空間、
１６・・・シールドガス導入孔、
１８・・・排気孔、
２０・・・光学系、
２２・・・パッキン、
２４・・・雰囲気圧力・濃度センサ、
２５・・・カップリング凸部、
２５’・・・カップリング凹部、
２６・・・断熱材、
２８・・・グラスウール、
３０・・・金属メッシュ、
３２・・・シールドガス供給手段、
３４・・・真空ポンプ、
３６・・・レーザ発振器、
３８・・・光ファイバー、
４０・・・加工ヘッド、
４２・・・光学系、
４４・・・レーザ部、
４６・・・真空チャンバー、
４８・・・連結孔、
５０・・・被加工材、
５２・・・移送装置。

Claims (10)

1. レーザ加工ヘッドに接続して用いる雰囲気制御レーザ加工用ヘッドであって、
   本体部と、
   レーザ光の光軸に沿って、前記本体部の内側に設けられた金属蒸気付着防止用ノズルと、
   シールドガス導入管と、
   排気管と、
   真空ベローズと、を備え、
   前記本体部の内部は前記金属蒸気付着防止用ノズルによって上側内部空間と下側内部空間とに分割され、
   前記シールドガス導入管は前記上側内部空間に連通し、
   前記排気管は前記下側内部空間に連通し、
   前記真空ベローズは前記本体部の底部に連結されていること、
   を特徴とする雰囲気制御レーザ加工用ヘッド。
2. 前記下側内部空間に断熱材を備えること、
   を特徴とする請求項１に記載の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド。
3. 前記断熱材が金属メッシュ及び／又はグラスウールであること、
   を特徴とする請求項２に記載の雰囲気制御レーザ加工用ヘッド。
4. 前記シールドガス導入管からシールドガスを導入するシールドガス供給手段と、
   前記排気管から前記シールドガス及び／又は大気を排気する排気手段と、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雰囲気制御レーザ加工用ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いた雰囲気制御レーザ加工方法であって、
   連結孔を備えたチャンバー内に被加工材を配置する第一工程と、
   前記真空ベローズを前記チャンバーに密着させ、前記連結孔からの前記シールドガスの導入及び前記排気によって、前記チャンバー内を任意の雰囲気状態とする第二工程と、
   前記被加工材にレーザを照射する第三工程と、を有すること、
   を特徴とする雰囲気制御レーザ加工方法。
6. 前記第三工程におけるレーザ出力を３０〜１００ｋＷとすること、
   を特徴とする請求項５に記載の雰囲気制御レーザ加工方法。
7. 前記第二工程における前記チャンバー内の全圧を０．１〜１０ｋＰａとすること、
   を特徴とする請求項５又は６に記載の雰囲気制御レーザ加工方法。
8. ２つ以上の前記連結孔を備えた前記チャンバー内に前記被加工材を配置し、
   前記連結孔と同数の前記雰囲気制御レーザ加工用ヘッドを用いること、
   を特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の雰囲気制御レーザ加工方法。
9. 前記チャンバー内の全圧が指定圧力に到達したことをトリガーとして、前記第三工程を自動的に開始すること、
   を特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の雰囲気制御レーザ加工方法。
10. 前記被加工材を鉄鋼材又はアルミニウム材とすること、
    を特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の雰囲気制御レーザ加工方法。