JP2018114543A - レーザ加工機 - Google Patents

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Abstract

【課題】ワークの穴開け加工を行う際に、小さい穴を確実に開けられるレーザ加工機を提供すること。
【解決手段】レーザ加工機1は、レーザ発振器5と、導波路6と、加工ヘッド8と、ノズル2と、を備えている。ノズル2は、レーザ光LBをワーク3に照射する筒状のノズル本体21と、ノズル本体21に形成された給気口22と、ノズル本体21に、給気口22に対向して形成された排気口23と、を備えている。ノズル本体21に誘導されるレーザ光LBを横切る形で、給気口22から排気口23に至るガス流路25に沿ってノズル本体21の内部にガスGを供給することにより、ノズル本体21の先端の開口部21aの近傍に負圧を発生させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、レーザ加工機に関する。
従来、レーザ加工機を用いてワークの穴開け加工を行う際には、ワークのレーザ受光部に生じる溶融材料を吹き飛ばして除去したり、ワークの燃焼を促進したりするため、窒素や酸素などのアシストガス(補助ガス)をレーザ光と同軸でワークのレーザ受光部に吹き付けていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2013−27907号公報
しかしながら、これでは、次のような不都合があった。
第1に、ワークに小さい穴を開けようとすると、アシストガスの影響により、ワークのレーザ受光部のみならず、その周辺域が溶融材料からの熱伝導で変形または除去され、意に反して穴径が大きくなってしまう恐れがある。
第2に、ワークが厚い場合やワークの比重が高い場合(以下、「ワークが厚い場合等」という。)には、レーザ加工により穴を開ける過程で、この溶融材料を除去しにくくなり、穴開け加工に時間がかかる。
第3に、ワークの穴開け加工に際しては、ワークのレーザ受光部が急激に熱せられて融点や沸点を瞬間的に超えるため、溶融材料がレーザ照射方向に飛び上がって、レンズ、ウインドなどの光学系を汚染する。
本発明は、このような事情に鑑み、ワークの穴開け加工を行う際に、ワークに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワークが厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができ、さらに、光学系が溶融材料で汚染される事態を回避することが可能なレーザ加工機を提供することを目的とする。
本発明に係るレーザ加工機(例えば、後述のレーザ加工機1)は、レーザ光(例えば、後述のレーザ光LB)を出射するレーザ発振器(例えば、後述のレーザ発振器5)と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光をワーク(例えば、後述のワーク3)に誘導する導波路(例えば、後述の導波路6)と、レーザ光を光学系(例えば、後述の集光レンズ7、ウインド)で集光して前記ワークに照射する加工ヘッド(例えば、後述の加工ヘッド8)と、前記加工ヘッドの先端に装着されるノズル(例えば、後述のノズル2)と、を備えているレーザ加工機であって、前記ノズルは、前記レーザ光を前記ワークに照射する筒状のノズル本体(例えば、後述のノズル本体21)と、前記ノズル本体に形成された給気口(例えば、後述の給気口22)と、前記ノズル本体に、前記給気口に対向して形成された排気口(例えば、後述の排気口23)と、を備え、前記ノズル本体に誘導されるレーザ光を横切る形で、前記給気口から前記排気口に至るガス流路に沿って前記ノズル本体の内部にガス(例えば、後述のガスG)を供給することにより、前記ノズル本体の先端の開口部(例えば、後述の開口部21a)の近傍に負圧を発生させるように構成されている。
前記ノズルは、前記給気口の口径(例えば、後述の口径D2)が前記ノズル本体に誘導されるレーザ光の前記ガスに横切られる部位における直径(例えば、後述の直径D1)以上であり、前記排気口の口径(例えば、後述の口径D3)が前記給気口の口径より大きくてもよい。
前記ノズルは、前記ガス流路に沿ってガスが供給されるときに、前記ワークの溶融材料(例えば、後述の溶融材料10)にその重量以上の吸引力を作用させてもよい。この溶融材料が、前記ノズル開口部より吸引され、前記ノズル排気口より、吸気口から排気口に流れるガスと共に排出される。
前記ガス流路に沿って供給されるガスが前記光学系に達しないように、前記光学系と前記ガス流路との間に、このガスの侵入を防ぐエア層(例えば、後述のエア層11)が形成されていてもよい。
前記ノズルは、前記ガス流路に沿って供給されるガスの排気を遮断する開閉弁(例えば、後述の開閉弁12)が設けられていてもよい。
前記ノズルには、前記ノズル本体の内部を減圧する減圧装置(例えば、後述の排気ポンプ29)が付設されていてもよい。
前記ノズルは、前記ワークに接触して当該ワークによる前記ノズル本体の密閉度を向上させる弾性部材(例えば、後述の弾性部材30)が、前記ノズル本体の先端に設けられていてもよい。
本発明によれば、レーザ加工機を用いてワークの穴開け加工を行う際に、レーザ光を横切るガスの流れにより、ワークのレーザ受光部に負圧を発生させ、溶融材料を吸引して除去することができる。その結果、ワークに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワークが厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができ、さらに、光学系が溶融材料で汚染される事態を回避することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。 本発明の第1実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。 本発明の第1実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。 本発明の第1実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す水平断面図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。図2は、第1実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。
この第1実施形態に係るレーザ加工機1は、図1に示すように、アルミニウムの平板状ワーク3を水平に支持する可動テーブル4と、円形断面のレーザ光LBを出射するレーザ発振器5と、レーザ発振器5から出射されたレーザ光LBをワーク3に誘導する導波路6と、レーザ光LBを光学系としての集光レンズ7で集光してワーク3に照射する加工ヘッド8と、加工ヘッド8の先端に装着されるノズル2と、可動テーブル4、レーザ発振器5および加工ヘッド8の動作を制御する制御装置9と、を備えている。
なお、可動テーブル4は、X軸方向およびY軸方向に移動自在になっている。また、加工ヘッド8は、Z軸方向に移動自在になっている。一方、集光レンズ7は、加工ヘッド8内に固定されている。さらに、導波路6には、レーザ発振器5から出射されたレーザ光LBを反射して集光レンズ7に誘導する反射ミラー6aが含まれている。また、レーザ光LBの種類は特に限定されず、例えば、炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、YAGレーザ等を用いることができる。ファイバレーザを用いる場合には、例えば、レーザ指令出力4kW、周波数100Hz、デューティ10%で、100μmのコア径の光ファイバから出射され、厚さ10mmのアルミニウムの平板状ワーク3に照射される。この場合、1m秒レーザ照射、9m秒レーザ停止を繰り返す。
ノズル2は、図2に示すように、レーザ光LBをワーク3に照射する略円筒状のノズル本体21と、ノズル本体21に形成された給気口22と、ノズル本体21に、給気口22に対向して形成された排気口23と、を備えている。給気口22には、円筒状の給気管32が接続されている。排気口23には、円筒状の排気管33が接続されている。そして、ノズル2は、ノズル本体21に誘導されるレーザ光LBを横切る形で、給気口22から排気口23に至る直線的なガス流路25に沿ってノズル本体21の内部にガスGを供給することにより、ノズル本体21の先端の開口部21aの近傍に負圧を発生させるように構成されている。
ここで、給気口22の口径D2は、図2に示すように、ノズル本体21に誘導されるレーザ光LBのガスGに横切られる部位における直径D1以上である(D2≧D1)。また、排気口23の口径D3は、給気口22の口径D2より大きい(D3>D2)。例えば、D3=5mm、D2=1mmとすることができる。また、給気口22は、ガスGの直進性を向上させるための所定の長さL2(例えば、1mm)の直線部を有している。さらに、排気管33には、ガス流路25に沿って供給されるガスGの排気を遮断する開閉弁12が取り付けられている。
また、ノズル2は、ガス流路25に沿ってガスGが供給されるときには、例えば、ガスGの圧力や流量を適宜調整することにより、ワーク3の穴開け加工に伴って発生する溶融材料10に、その重量以上の吸引力を作用させ、この溶融材料10がノズル本体21の開口部21aから吸引されて排気口23からノズル本体21の外部へ排出されるように構成されている。
さらに、ノズル2には、排気口23の上側にガス供給ポート26が、ノズル本体21の内外を連通するように形成されている。ガス供給ポート26には、ガス供給部27が接続されている。そして、ガス供給部27からガス供給ポート26を介してノズル本体21の内部に窒素などの不活性ガスを供給することにより、ガス流路25に沿って供給されるガスGが集光レンズ7に達しないように、集光レンズ7とガス流路25との間に、このガスGの侵入を防ぐエア層11が形成されるように構成されている。
また、ノズル2には、ノズル本体21の開口部21aの近傍にガス排出ポート28が、ノズル本体21の内外を連通するように形成されている。ガス排出ポート28には、排気管34を介して、減圧装置としての排気ポンプ29が接続されている。そして、排気ポンプ29を駆動して、ノズル本体21の内部のガスをガス排出ポート28から吸引することにより、ノズル本体21の内部を減圧して開口部21aの近傍を負圧にすることができる。なお、ガス排出ポート28にはフィルター(図示せず)が装着されて、溶融材料10がガス排出ポート28から排気ポンプ29側に吸い込まれない構造になっている。
レーザ加工機1は以上のような構成を有するので、このレーザ加工機1を用いてアルミニウムの平板状ワーク3の穴開け加工を行う際には、次の手順による。
まず、図1に示すように、可動テーブル4上にワーク3を載置した状態で、制御装置9からの指令に基づき、可動テーブル4をX軸方向、Y軸方向に適宜移動させて、ワーク3をX軸方向およびY軸方向の所定の位置に位置決めする。
次いで、制御装置9からの指令に基づき、加工ヘッド8をZ軸方向に適宜移動させて、ノズル2をZ軸方向の所定の位置に位置決めする。すると、ノズル2は、図2に示すように、ノズル本体21の開口部21aがワーク3の表面から所定の距離L1(例えば、L1=0.5mm〜5mm)だけ上方に離れた状態になる。
次に、制御装置9からの指令に基づき、開閉弁12を開き、給気口22から排気口23に至るガス流路25に沿って、ノズル本体21の内部にガスGを所定の圧力(例えば、0.5MPa)で供給する。すると、このガスGの流れに巻き込まれてノズル本体21の内部のガスが排気口23から排出されるため、ノズル本体21の開口部21aの近傍に負圧が発生する。
このとき、排気口23は、給気口22に対向しているとともに、その口径D3が給気口22の口径D2より大きく、給気口22にガスGの直進性を向上させる所定の長さL2の直線部が設けられているため、給気口22からノズル本体21の内部に供給されたガスGは、残らず排気口23から排出される。その結果、ガスGの供給に無駄が生じることはなく、負圧の発生を効率的に進めることができる。
また、制御装置9からの指令に基づき、ガス供給部27からガス供給ポート26を介してノズル本体21の内部に不活性ガスを供給する。すると、集光レンズ7とガス流路25との間にエア層11が形成される。
さらに、ガスGの供給による負圧の発生を助長するため、制御装置9からの指令に基づき、排気ポンプ29を駆動して、ノズル本体21の内部のガスをガス排出ポート28から吸引する。すると、ノズル本体21の内部が減圧され、ノズル本体21の開口部21aの近傍が一層負圧になる。
この状態で、制御装置9からの指令に基づき、レーザ発振器5からレーザ光LBを出射する。すると、そのレーザ光LBは、導波路6に沿って誘導された後、集光レンズ7で集光されてノズル2のノズル本体21の開口部21aからワーク3に照射される。その結果、ワーク3は、そのレーザ受光部3aがレーザ光LBのレーザ照射によって溶融し、穴開け加工が開始される。
このとき、ワーク3の穴開け加工に伴って、ワーク3のレーザ受光部3aは、レーザにより加熱され溶融するが、このレーザ受光部3aに供給されるエネルギ量が大きい場合、瞬間的にレーザ受光部3aは沸点を超え、このレーザ受光部3aに溶融材料10が発生してレーザ光LBと同軸方向へ跳ね上がる。しかし、ノズル2内には、上述したとおり、レーザ光LBを横切るようにガスGが流れているので、溶融材料10が集光レンズ7に達することを阻止して、集光レンズ7を保護することができる。これに加えて、ノズル2は、レーザ光LBの光軸CLを横切るガスGの流れにより、ノズル本体21の開口部21aの近傍が負圧になっているため、このレーザ受光部3aにも負圧が発生する。しかも、ガスGは、溶融材料10の重量以上の吸引力が作用するように供給されている。その結果、この溶融材料10は、ノズル本体21の内部に吸い上げられつつ冷却されながら、排気口23からノズル本体21の外部に排出される。したがって、溶融材料10がノズル本体21の内部に滞留してレーザ光LBの照射の邪魔をすることはなく、ワーク3の穴開け加工を効率よく実行することができる。
このように、レーザ加工機1を用いてワーク3の穴開け加工を行う際には、レーザ光LBの光軸CLを横切るガスGの流れにより、ワーク3のレーザ受光部3aに負圧を発生させ、溶融材料10を吸引して除去することができる。こうして溶融材料10を瞬時に取り除くことで、熱伝導による溶融材料10から母材への熱の流れを低減することができるため、ワーク3のレーザ受光部3a以外の部分の温度上昇を抑えることが可能となる。その結果、ワーク3のレーザ受光部3aのみに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワーク3が厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができる。さらに、レーザ照射時にワーク3のレーザ受光部3aが急激に温度上昇して突沸のような現象を起こし、レーザ照射方向に溶融材料10が飛んだ場合でも、レーザ光LBの光軸CLを横切るガスGの流れにより、排気口23へガスGとともに流されるため、集光レンズ7が溶融材料10で汚染される事態を回避することが可能となる。
また、集光レンズ7とガス流路25との間にエア層11が形成されているので、たとえ、ガス流路25に沿って供給されるガスGが集光レンズ7側に侵入しようとしても、このガスGの侵入がエア層11で阻止され、このガスGが集光レンズ7に達することはない。したがって、このガスGとして、油分などを含む工場エアを使用しても、その油分などで集光レンズ7が汚染される事態を未然に回避することができる。そのため、ガスGの許容範囲を拡大し、ノズル2の有用性を高めることが可能となる。
こうして、ワーク3の穴開け加工が終了すると、ワーク3のレーザ受光部3aがワーク3の表面から裏面へ貫通しているので、ワーク3の溶融材料10をワーク3の裏面から下方に排出することができる。したがって、それ以降は、ワーク3の溶融材料10を吸引する必要がなくなり、開閉弁12を閉じてガスGの排気を遮断し、ノズル2からアシストガスを供給しながら、ワーク3の切断加工を行うことも可能になる。
[第1実施形態の変形例]
図3は、第1実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。図4は、第1実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す水平断面図である。
この第1実施形態の変形例に係るレーザ加工機1は、上述した第1実施形態に比べて、以下に述べるように、ノズル2の構成が異なる。その他の構成については、上述した第1実施形態と基本的に同様であるので、同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
すなわち、このレーザ加工機1のノズル2は、図3および図4に示すように、ノズル本体21の内部に螺旋状の上昇気流を発生させる気流発生装置15がノズル本体21に付設されている。この気流発生装置15は、ノズル本体21の外部から内部を経て外部に気体を略水平に送り込む第1通気路15aと、第1通気路15aとほぼ平行に配設され、第1通気路15aと逆向きにノズル本体21の外部から内部を経て外部に気体を略水平に送り込む第2通気路15bとから構成されている。ここで、第1通気路15aおよび第2通気路15bは、互いにノズル本体21の軸心方向(つまり、レーザ光LBの光軸CLに平行な方向)にオフセットされた状態で、ガス流路25の下方にレーザ光LBの光軸CLを挟んで対向している。
また、ノズル本体21の内部には、図3に示すように、ワーク3の溶融材料10の上昇を阻止する円環状の折り返し部16が、ノズル本体21の内周面に沿ってガス流路25の上方に配設されている。
さらに、ノズル本体21の内周面には、この内周面に対するワーク3の溶融材料10の付着性(ぬれ性)を低くする付着防止コーティング17が施されている。この付着防止コーティング17は、耐熱性に優れたものであればよく、その代表例としては、フッ素樹脂(例えば、デュポン社製のテフロン(登録商標)など)を挙げることができる。
また、ノズル2は、ワーク3に接触してワーク3によるノズル本体21の密閉度を向上させる円筒状の弾性部材30が、ノズル本体21の先端に取り付けられている。この弾性部材30は、ノズル本体21の軸心方向に弾性的に伸縮しつつ、ワーク3に接触するように構成されている。この弾性部材30の材料として、電気を通すもの(例えば、ばね性のある金属、導電性高分子など)を採用すれば、通常の静電容量式のセンサを用いて、ワーク3とノズル2との距離を測定することができる。
したがって、この変形例では、上述した第1実施形態と同様、ワーク3の穴開け加工に際して、レーザ光LBの光軸CLを横切るガスGの流れにより、ワーク3の溶融材料10を負圧で吸引してノズル2の排気口23からノズル本体21の外部に排出できること等の効果に加えて、次のような効果を奏する。
まず、気流発生装置15により、ノズル本体21の内部に螺旋状の上昇気流を発生させられるため、この上昇気流に乗せて溶融材料10を効率よく吸い上げることができる。その結果、溶融材料10の排出をますます円滑に行うことが可能となる。
また、ノズル本体21の内部に配設された折り返し部16により、ノズル本体21の内周面に沿った溶融材料10の上昇を阻止することができる。したがって、この溶融材料10が大きな運動量を持っていて、ガスGの流れによってノズル2の排気口23に誘導し切れない場合でも、その溶融材料10が集光レンズ7に達して集光レンズ7を汚染する不都合は生じない。また、この溶融材料10が小さな運動量しか持っておらず、ガスGの流れによって吸い上げられて、その軌跡を図3に破線で示すように、ノズル2の排気口23から排出されない場合でも、その溶融材料10が集光レンズ7に達して集光レンズ7を汚染する不都合は生じない。
また、ノズル2は、ノズル本体21の内周面に付着防止コーティング17が施されているので、溶融材料10がノズル本体21の内周面に付着して堆積する事態を未然に防止することができる。その結果、レーザ光LBの照射を長時間にわたって十全に行うことが可能となる。
さらに、ノズル2は、ノズル本体21の先端に弾性部材30がワーク3に接触するように設けられているので、ワーク3によるノズル本体21の密閉度が向上する。そのため、ワーク3のレーザ受光部3aの負圧を大幅に高め、溶融材料10の吸引力を格段に増大させることができる。
しかも、この弾性部材30は、ノズル本体21の軸心方向に弾性的に伸縮しつつ、ワーク3に接触するように構成されているので、ワーク3に負荷が加わることはない。したがって、ワーク3に変形や割れ等の損傷を与える事態を防止しつつ、ワーク3の穴開け加工を円滑に実行することができる。
なお、本発明は、上述した第1実施形態やその変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上述した第1実施形態およびその変形例では、加工ヘッド8内の光学系として集光レンズ7のみを備えている場合について説明した。しかし、集光レンズ7を保護する光学系としてのウインド(図示せず)が集光レンズ7の下方に取り付けられている場合にも、本発明を同様に適用することができる。
また、上述した第1実施形態およびその変形例では、集光レンズ7が加工ヘッド8内に固定されている場合について説明した。しかし、集光レンズ7が加工ヘッド8内でZ軸方向に移動自在になっている場合にも、本発明を同様に適用することができる。
さらに、上述した第1実施形態およびその変形例では、アルミニウムのワーク3のレーザ加工を行う場合について説明した。しかし、アルミニウム以外の材料からなるワークのレーザ加工を行う場合にも、本発明を同様に適用することができる。
1……レーザ加工機
2……ノズル
3……ワーク
5……レーザ発振器
6……導波路
7……集光レンズ(光学系)
8……加工ヘッド
10……溶融材料
11……エア層
12……開閉弁
21……ノズル本体
21a……開口部
22……給気口
23……排気口
25……ガス流路
29……排気ポンプ(減圧装置)
30……弾性部材
D1……レーザ光の直径
D2……給気口の口径
D3……排気口の口径
G……ガス
LB……レーザ光

Claims (7)

  1. レーザ光を出射するレーザ発振器と、
    前記レーザ発振器から出射されたレーザ光をワークに誘導する導波路と、
    レーザ光を光学系で集光して前記ワークに照射する加工ヘッドと、
    前記加工ヘッドの先端に装着されるノズルと、を備えているレーザ加工機であって、
    前記ノズルは、前記レーザ光を前記ワークに照射する筒状のノズル本体と、前記ノズル本体に形成された給気口と、前記ノズル本体に、前記給気口に対向して形成された排気口と、を備え、
    前記ノズル本体に誘導されるレーザ光を横切る形で、前記給気口から前記排気口に至るガス流路に沿って前記ノズル本体の内部にガスを供給することにより記ノズル本体の先端の開口部の近傍に負圧を発生させるように構成されているレーザ加工機。
  2. 前記ノズルは、前記給気口の口径が前記ノズル本体に誘導されるレーザ光の前記ガスに横切られる部位における直径以上であり、前記排気口の口径が前記給気口の口径より大きい請求項1に記載のレーザ加工機。
  3. 前記ノズルは、前記ガス流路に沿ってガスが供給されるときに、前記ワークの溶融材料にその重量以上の吸引力を作用させる請求項1または2に記載のレーザ加工機。
  4. 前記ガス流路に沿って供給されるガスが前記光学系に達しないように、前記光学系と前記ガス流路との間に、このガスの侵入を防ぐエア層が形成されている請求項1から3までのいずれかに記載のレーザ加工機。
  5. 前記ノズルは、前記ガス流路に沿って供給されるガスの排気を遮断する開閉弁が設けられている請求項1から4までのいずれかに記載のレーザ加工機。
  6. 前記ノズルには、前記ノズル本体の内部を減圧する減圧装置が付設されている請求項1から5までのいずれかに記載のレーザ加工機。
  7. 前記ノズルは、前記ワークに接触して当該ワークによる前記ノズル本体の密閉度を向上させる弾性部材が、前記ノズル本体の先端に設けられている請求項1から6までのいずれかに記載のレーザ加工機。
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