JP2017170477A - レーザ加工装置の加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】加工ガスの流量によらず加工ガスの流れを均一化できる加工ヘッドを得ること。【解決手段】加工ノズル５を通して被加工材６にレーザビーム３を集光照射するとともに、加工ヘッド内空間１５の加工ガスを加工ノズル５から被加工材６に噴射するレーザ加工装置の加工ヘッド１であって、加工ノズル５の中心軸に軸対称な形状であり、加工ヘッド内空間１５に連結流路１３を介して連結された環状流路１２と、環状流路１２に加工ガスを供給する加工ガス供給流路とを備え、加工ガス供給流路は、加工ノズル５の中心軸に対してオフセットされて配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームの照射により、被加工材に切断加工を行うレーザ加工装置の加工ヘッドに関する。

従来の加工ヘッドは、加工ヘッド内に設けられた環状流路に加工ガスを導入した後、加工ヘッド内空間へ通じる連結流路断面積を、加工ガス供給流路断面積よりも狭くすることで圧力損失を与え、環状流路内の流れを周方向に均一化していた。

特開２０００−２２５４８７号公報

このような加工レーザ装置における加工ヘッドにおいては、加工ヘッド内に設けられた環状流路から加工ヘッド内空間へ通じる連結流路を狭くすることで圧力損失を与えているので、ステンレス鋼の切断のように大流量の加工ガスが必要な加工時には、圧力損失が更に大きくなる。また、上記問題のために圧力損失を小さくすると、加工ガスの流量が少ない軟鋼酸素切断などの加工の場合には、流れが均一化されず不安定となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工ガスの流量によらず加工ガスの流れを均一化できる加工ヘッドを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工ノズルを通して被加工材にレーザ光を集光照射するとともに、加工ヘッド内空間の加工ガスを加工ノズルから被加工材に噴射するレーザ加工装置の加工ヘッドであって、加工ノズルの中心軸に軸対称な形状であり、加工ヘッド内空間に連結通路を介して連結された環状流路と、環状流路に加工ガスを供給する加工ガス供給流路とを備える。加工ガス供給流路は、加工ノズルの中心軸に対してオフセットされて配置されている。

本発明によれば、加工ガスの流量によらず加工ガスの流れを均一化できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 図１中のII−II線に沿った断面図 図１中のIII−III線に沿った断面図 実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの変形例を示す断面図 本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の加工ヘッドにおける加工ガス導入路を示す断面図 本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 図７中のVIII−VIII線に沿った断面図 本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 図９中のX−X線に沿った断面図 本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 図１１中のXII−XII線に沿った断面図 本発明の実施の形態７に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 本発明の実施の形態８に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図 図１４中のXV−XV線に沿った断面図

以下に、本発明の実施の形態に係る加工ヘッドを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。図２は、図１中のII−II線に沿った断面図である。図３は、図１中のIII−III線に沿った断面図である。レーザ加工機は、レーザビーム３を発振するレーザ発振器１００と、レーザビーム３を被加工材６に集光する加工ヘッド１と、レーザ発振器１００から発せられたレーザビーム３を加工ヘッド１へ導く伝搬光学系１０１とを備えている。

被加工材６は、加工テーブル９に設置されている。なお、実際には、被加工材６は、支持部材を介して加工テーブル９に設置されるが、ここでは支持部材の図示を省略している。

加工ヘッド１は、ヘッド本体１０にノズルアダプタ１１が接続されて構成されている。ノズルアダプタ１１の先端には、加工ノズル５が設置されている。加工ノズル５は、単独で交換可能である。

加工ヘッド１の内部には、環状流路１２が設けられている。環状流路１２は、図１に示すように光軸２に対して軸対称に配置されている。したがって、環状流路１２の中心軸は、光軸２と一致している。なお、ここでの軸対称とは、完全な軸対称形状だけではなく、完全に対称ではなくても実質的には軸対称である形状を含む。中心に対してオフセットした位置に後述する加工ガス供給流路８が配置された環状流路１２は、実質的に軸対称な形状であると言える。また、後述する連結穴１７を備えた整流部材又は整流板１４が設けられている環状流路１２は、実質的に軸対称な形状であると言える。環状流路１２は、連結流路１３を通じて加工ヘッド内空間１５と繋がっている。連結流路１３は、環状流路１２と比較して流路の断面積が狭くなっている。

図２に示すように、加工ガス供給流路８は、環状流路１２の中心に対してオフセットした位置に配置されている。すなわち、環状流路１２の中心は、加工ガス供給流路８の延長上に位置していない。

図１に示すように、レーザ発振器１００より放出されたレーザビーム３は、加工ヘッド１内に設置された加工レンズ４に、伝搬光学系１０１によって光軸２に沿って導光され、加工ノズル５の加工ノズル出口５１を通して、被加工材６に集光される。また、加工ヘッド１に設置された加工ガス供給孔７から環状流路１２へ加工ガスが供給される際、加工ガスは環状流路１２を経て、加工ヘッド内空間１５へと、環状の連結流路１３を介して供給され、その後、レーザビーム３と同様に加工ノズル出口５１より被加工材６に噴出する。

上記のように加工ノズル出口５１を通して、被加工材６に集光されたレーザビーム３と加工ガスとを供給しつつ、加工ヘッド１及び被加工材６の少なくとも一方を移動させることにより、被加工材６とレーザビーム３との相対位置を変化させることができ、被加工材６に形成された加工溝６１が移動形成され、レーザ切断加工が行われる。レーザ切断加工の際には、被加工材６が設置された加工テーブル９を動かすことで被加工材６のみを移動させても良いし、加工ヘッド１のみを移動させても良い。更には、加工テーブル９及び加工ヘッド１の両方を移動させても良い。

レーザ切断加工において用いられる加工ガスは、一般的な軟鋼に対しては小流量の酸素ガスが用いられ、レーザによる入熱に加えて酸化反応による発熱を利用することで、高効率なレーザ切断加工を行うことが可能である。また、被加工材６がステンレス鋼である場合は酸素を用いることもあるが、クロム又はモリブデンといった元素の硬度の高い酸化物が生成されて、後工程の処理が困難となるために、窒素ガスを用いたレーザ切断加工が多く行われている。加工ガスに窒素ガスを用いる場合、レーザにより加熱溶融した金属を、高圧大流量の窒素を用いて吹き飛ばすことで加工が行われる。

加工ガス供給流路８は、環状流路１２の中心に対してオフセットされた方向に配置されているため、加工ガスは、環状流路１２の中心を回転中心にして環状流路１２を周回する。図２に示した断面では、レーザビーム３の進行方向に沿って見ると反時計回りの回転となる。従って、環状流路１２内において加工ガスは、レーザビーム３の進行方向に沿って見た場合に反時計回りに旋回しながら流れ、環状流路１２内の周方向流速は均一化されつつ環状の連結流路１３を通り加工ヘッド内空間１５に供給される。加工ヘッド内空間１５に供給された加工ガスは、加工ノズル出口５１から被加工材６へ噴射される。

連結流路１３においても加工ガスは旋回しているため、加工ガスには遠心力が作用し連結流路１３の外周の面に押し付けられながら旋回することになる。連結流路１３に供給された加工ガスのうち、高速の部分については摩擦が大きくなりより減速されることに対し、低速の部分については、受ける摩擦は小さいので、周方向流速の均一化が進むことになる。従って、実施の形態１に係る加工ヘッド１は、周方向流速が均一化されないうちに、そのまま加工ヘッド内空間１５へ流れ込むことを抑制することができることになり、連結流路１３内の加工ガスは旋回成分により加工ガスの流れが均一化される。加工ガスの流れが均一化されることにより、加工ガスが安定して加工ヘッド内空間１５を経て加工ノズル出口５１より排出されるため、安定した品質のレーザ切断加工が実現可能となる。

また、実施の形態１に係る加工ヘッド１は、連結流路１３の断面積を、加工ガス供給流路８の断面積よりも狭くすることで圧力損失を与えて流れを均一化する必要が無いため、連結流路１３における圧力損失を低く抑えることができる。具体的には、環状の断面を有する連結流路１３の断面積を、加工ガス供給流路８の断面積以上とすることで、連結流路１３における圧力損失を低く抑えることができる。特に、連結流路１３の断面積を加工ガス供給流路８の断面積よりも大きくすることで、連結流路１３が圧力損失におけるボトルネックになることが避けられ、過大な圧力損失が発生することを抑制することができる。連結流路１３が圧力損失におけるボトルネックとなることを避けることにより、加工ガスの供給圧力を低くすることが可能となる。従って、コンプレッサといった装置が不要となり、廉価なシステムでレーザ加工装置を構成することができるようになる。また、加工ガスに酸素を用いて軟鋼を切断する際のように加工ガスが少量である際にも、均一で安定した加工ガスを被加工材６へ供給可能となるので、加工が安定し、よって高品質なレーザ切断加工が可能となる。

本実施の形態において、レーザ発振器１００には、ＣＯ_２レーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ、ダイレクトダイオードレーザを適用できるがこれらに限定されない。図１に示した伝搬光学系１０１はミラー伝送であるが、途中に曲率ミラー又はレンズを用いた構成であってもよい。更には、上記ファイバレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧレーザ又はダイレクトダイオードレーザの場合には、光ファイバにより伝送光学系１０１を構成することで、加工ヘッド１までレーザビーム３を導光させた後に、加工ヘッド１内に一般にはコリメートレンズを設置してコリメート光とした後に、加工レンズ４に導光させてもよい。あるいは、加工ヘッド１内の光学系は、２以上のレンズ群を用いたズームレンズであっても良い。加工レンズ４に入射するレーザビーム３は必ずしもコリメートされている必要は無く、レンズ系の位置を連動して制御することで所望のビーム径にて加工点に集光させることができる。

実施の形態１に係る加工ヘッドは、環状流路１２の中心に対してオフセットされた方向に加工ガス供給流路８が配置されているため、加工ガスの流量によらず加工ガスの流れを均一化できる。

図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の加工ヘッドの変形例を示す断面図である。加工ヘッド１の内部には、加工レンズ４よりも加工ノズル５側に、加工レンズ４を保護するための保護ガラス２０が設けられている。保護ガラス２０は、レーザ加工時に被加工材６の加工溝６１からスパッタが発生して加工レンズ４に付着することを防止する。保護ガラス２０は、伝搬光学系１０１に光ファイバを用い、レーザビーム３を加工ヘッド１までファイバ伝送する場合には、特に有効である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係るレーザ加工装置の加工ヘッドにおける加工ガス導入路を示す断面図である。実施の形態１においては、加工ガス供給孔７が一つの場合について示したが、加工ガス供給孔を複数設けてもよい。実施の形態２では、加工ヘッド１には、四つの加工ガス供給孔７１，７２，７３，７４を設けている。この場合には環状流路１２には４方向から加工ガスが導入される。したがって、一箇所から加工ガスを導入する実施の形態１と比較して、より均一に旋回流を形成することが可能であり、より安定な加工ガス流れを実現することができる。実施の形態２では、加工ガスの導入が４方向からの場合について説明したが、２方向又は３方向であっても良いし、５方向以上であっても良い。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。実施の形態３においては、加工ヘッド１内に配置された環状流路１２へ加工ガスを供給する加工ガス供給流路８が、環状流路１２に対し水平面内にオフセットされるとともに、図６の紙面での斜め下に傾斜されて配置されている。換言すると、加工ガス供給流路８は下流側ほど加工ヘッド１の先端に近くなっている。

実施の形態３に係る加工ヘッド１は、加工ガスが環状流路１２を介して連結流路１３へ供給される際に、連結流路１３から遠ざかる速度成分を持っているために、加工ガス供給流路８が水平方向に配置された場合よりも、連結流路１３へ直接流れずに環状流路１２内を旋回しやすくなる。したがって、加工ガスは、加工ガス供給流路８が傾斜を持たない場合よりも均一な旋回流となってから連結流路１３へ流れるため、より安定な加工ガス流れを実現することが可能となる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。実施の形態４においては、環状流路１２に加工ガスを供給する加工ガス供給流路８の下流側には、連結流路１３へ直接加工ガスが流れないように流路障壁１６が設置されている。

実施の形態４によれば、加工ガスが加工ガス供給流路８から環状流路１２を介して連結流路１３へ流入する際に、流路障壁１６を迂回する必要がある。このため、加工ガスは環状流路１２内を旋回しやすくなる。したがって、加工ガスは、流路障壁１６を備えない場合よりも均一な旋回流となってから連結流路１３へ流れるため、より安定な加工ガス流れを実現することが可能となる。

更には、実施の形態３と同様に加工ガス供給流路８を連結流路１３と反対方向に傾斜させてもよく、その場合には、加工ガスを更に均一に旋回流にすることができる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。図１０は、図９中のX−X線に沿った断面図である。実施の形態５においては、断面環状の連結流路１３内には、連結流路１３を光軸２の周方向に分割する整流部材である整流板１４が、光軸２と平行に設置されている。

上記実施の形態１から実施の形態４では、環状流路１２の中心からオフセットされた位置に設けられた加工ガス供給孔７及び加工ガス供給流路８を通じて環状流路１２に加工ガスが供給される。したがって、加工ガスは環状流路１２内で旋回し、環状流路１２内で周方向旋回成分がほぼ均一となってから連結流路１３に流れ、連結流路１３を通過した加工ガスは、加工ヘッド内空間１５及び加工ノズル出口５１を介して、被加工材６へ安定して供給されていた。そのため、加工ガスの安定性及び直進性は優れており、安定で良好な切断が実現される。

しかしながらレーザ加工によって被加工材６中に形成された加工溝６１内においても、加工ガスは旋回成分を保持する。したがって、上記実施の形態１から実施の形態４では、レーザ加工の進行方向に対して、旋回成分と同じ方向に加工ガスが流れ加工ガスの供給が弱く当たる端面と、レーザ加工の進行方向に対して逆の方向に加工ガスが流れ加工ガスの供給が強く当たる端面とができるため、加工溝６１の両側の面は異なる面品質の加工となっていた。

一般的なレーザ切断加工においては、被加工材６から目的の形状を切り出す際には、目的の形状が製品となり、残される端面側の部材は製品とはならない。従って、この場合には、加工ガスの旋回方向に対して製品として残す部材の面品質がより良好となるように、加工方向を設定することになる。ただし、加工によっては、残される端面側の部材も製品となる場合があり、加工ノズル出口５１から出た後の加工溝６１内の加工ガスに旋回成分が存在すると、両方の部材の切断端面に対して同等の面品質を得ることができない。

実施の形態５では、連結流路１３内に整流板１４を配置したため、環状流路１２内及び環状の連結流路１３内を旋回する加工ガスは、加工ヘッド内空間１５に排出される前に、光軸２と平行な整流板１４にぶつかる。したがって、加工ガスは整流板１４に沿って流れることで整流され、加工ガスの旋回成分が抑制される。これより、整流板１４よりも下流側の加工ヘッド内空間１５、加工ノズル出口５１及び加工溝６１内において、加工ガスは旋回成分の無い安定な流れとなるため、加工溝６１に対して方向性の無い切断を実現することができる。実施の形態５においては、整流板１４を設置した部分での連結流路１３の断面積を狭くする必要は無い。よって、周方向に均一な流れを低圧力損失で実現可能である。

なお、整流板１４は、必ずしも光軸２と平行である必要はないが、光軸２に対して整流板１４が傾きを有していると、連結流路１３内を旋回する加工ガスの進行方向によっては圧力損失が大きくなってしまうとともに、新たな旋回成分を発生させる原因ともなりうる。光軸２に対して平行に整流板１４を設置すると、加工ガスの流量及び流速がどのように変化しても、圧力損失が極端に増大する原因とはなりにくく、旋回成分が抑制されるため、レーザ加工条件に制約を受けにくくすることができる。

実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態５に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図であり、図１２は、図１１中のXII−XII線に沿った断面図である。実施の形態６においては、実施の形態５で示した整流板１４の代わりに、連結流路１３の途中に連結穴１７を備えた整流部材を配置し、連結流路１３を光軸２の周方向に分割している。なお、連結穴１７は光軸２と平行に空けられている。また、連結穴１７の総断面積は、加工ガス供給孔７の断面積より大きくなっており、連結穴１７での過大な圧力損失が生じないようになっている。図１２に示すように、整流部材によって分割された連結流路１３の断面は、円形となっている。

実施の形態６に係る加工ヘッドは、旋回成分を含んで連結穴１７を通過する際に、光軸２と平行に配置された穴の方向に整流されるため、加工ガスの旋回成分を抑制することができる。なお、連結穴１７の直径に対して連結穴１７が短すぎると、加工ガスの流れの旋回成分を抑制する効果が小さくなるが、直径に対しては１０倍以上の長さを有する穴は旋回成分を抑制する効果が得られることは実験的に知られている。したがって、連結穴１７の直径に対して連結穴１７の長さは１０倍以上とすることで、より旋回成分を抑制することが可能であり、より安定した方向性のない良好切断を実現することができる。

実施の形態７．
図１３は、本発明の実施の形態７に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。上記実施の形態１から実施の形態６では、環状流路１２から加工ヘッド内空間１５に対し、連結流路１３は加工レンズ４の方向、例えば図１中では上方を向いて設置されていた。これに対し、実施の形態７においては、連結流路１３は、加工ノズル５の方向を向けて設置されている。また、実施の形態４と同様に、環状流路１２の内部には、連結流路１３へ直接加工ガスが流れないように流路障壁１６が設置されている。

実施の形態７の構成によれば、加工ガスが環状流路１２を介して連結流路１３へ供給される際に、流路障壁１６を迂回する必要があるため、環状流路１２内を旋回しやすくなり、より均一な旋回流が形成される。また連結流路１３へ流れる際にも、より安定な加工ガス流れを実現することが可能となる。

環状流路１２から加工ヘッド内空間１５への連結流路１３の形状を環状とした場合には、加工ノズル出口５１から被加工材６へ供給される加工ガスは旋回成分を持ち、旋回成分を維持して加工することが可能となる。

実施の形態８．
図１４は、本発明の実施の形態８に係るレーザ加工装置の加工ヘッドを示す断面図である。図１５は、図１４のXV−XV線に沿った断面図である。実施の形態７に対して実施の形態５に記載のように加工溝６１に対して方向性の無い加工を得るために加工ガスの旋回成分を抑制する場合には、図１４に示すように連結流路１３内に光軸２と平行な方向の整流板１４を配置すればよい。

実施の形態５で述べたように、連結流路１３内に流入した旋回成分を持った加工ガスの流れは、光軸２と平行な整流板１４にぶつかることで整流板１４に沿って流れるように整流されるため、整流板１４を設けることで加工ガスの旋回成分を抑制することができる。これより、整流板１４よりも下流側の加工ヘッド内空間１５、加工ノズル出口５１及び加工溝６１内において、加工ガスは旋回成分の無い安定な流れとなるため、加工溝６１に対して方向性の無い切断を実現することができる。実施の形態５においては、整流板１４を設置した部分での連結流路１３の断面積を狭くする必要は無い。よって、周方向に均一な流れが低圧力損失で実現することが可能である。

なお、実施の形態６で述べたように、連結流路１３を光軸２と平行な複数の穴で構成することでも、旋回成分を抑制することが可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 加工ヘッド、２ 光軸、３ レーザビーム、４ 加工レンズ、５ 加工ノズル、６ 被加工材、７，７１，７２，７３，７４ 加工ガス供給孔、８ 加工ガス供給流路、９ 加工テーブル、１０ ヘッド本体、１１ ノズルアダプタ、１２ 環状流路、１３ 連結流路、１４ 整流板、１５ 加工ヘッド内空間、１６ 流路障壁、１７ 連結穴、２０ 保護ガラス、５１ 加工ノズル出口、６１ 加工溝、１００ レーザ発振器、１０１ 伝搬光学系。

Claims (7)

1. 加工ノズルを通して被加工材にレーザ光を集光照射するとともに、加工ヘッド内空間の加工ガスを前記加工ノズルから前記被加工材に噴射するレーザ加工装置の加工ヘッドであって、
   前記加工ノズルの中心軸に軸対称な形状であり、前記加工ヘッド内空間に連結通路を介して連結された環状流路と、
   前記環状流路に前記加工ガスを供給する加工ガス供給流路とを備え、
   前記加工ガス供給流路は、前記加工ノズルの中心軸に対してオフセットされて配置されていることを特徴とするレーザ加工装置の加工ヘッド。
2. 前記連結流路の断面積が、前記加工ガス供給流路断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置の加工ヘッド。
3. 前記加工ガス供給流路を複数有し、
   各前記加工ガス供給流路が、前記中心軸に対して互いに異なる方向を向いて設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装置の加工ヘッド。
4. 前記加工ガス供給流路が、前記環状流路から前記連結流路への入口から遠ざかる方向を向いて設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置の加工ヘッド。
5. 前記加工ガス供給流路の下流側出口と前記連結流路との間に、流路障壁を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置の加工ヘッド。
6. 前記連結流路を前記中心軸の周方向に分割する整流部材を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置の加工ヘッド。
7. 前記整流部材によって分割された前記連結流路の断面形状が円形であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置の加工ヘッド。

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