JP2019055422A - レーザー切断装置及びレーザー切断方法 - Google Patents

レーザー切断装置及びレーザー切断方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ドロスを効率的に除去することが可能なレーザー切断装置及びレーザー切断方法を提供する。【解決手段】レーザー切断装置１は、レーザー光Ｌを照射するレーザー光照射装置２と、レーザー光Ｌによる溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かってそれぞれ圧力波Ｗを照射する複数の圧力波源３０を備える圧力波照射部３と、各圧力波Ｗの外周側に沿って溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かう噴流Ｆをそれぞれ噴射する噴流噴射部４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー切断装置及びレーザー切断方法に関する。
大型の機械装置を解体する場合や、多数の穴あけ加工を行う場合には、レーザー切断装置を用いた熱加工が好適に用いられる。レーザー切断装置は、レーザー光による熱エネルギーによって対象物を切断・加工する。一方で、正確な切断を行うためには、切断によって生じた溶融部（ドロス）を除去するための手段も必要となる。このように、ドロスを除去しながらレーザー切断を行うことができる装置の具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された装置は、レーザー光照射装置と、溶断部に向かってそれぞれ圧力波を照射する複数の超音波源を有する圧力波照射装置とを備えている。特許文献１では、圧力波のせん断力によって、溶断部に付着したドロスが除去できるとされている。
特開２０１５−１７８１２５号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、複数の超音波源から供給される各圧力波の外周部がそれぞれ外気に曝されているため、各圧力波と外気との間でせん断力が生じてしまう。せん断力が生じると、各圧力波は減衰する。このため、所望の強さの圧力波を得られず、ドロスを十分に除去できなくなる可能性がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、ドロスを効率的に除去することが可能なレーザー切断装置及びレーザー切断方法を提供することを目的とする。
第一の態様によれば、レーザー切断装置は、レーザー光を照射するレーザー光照射装置と、前記レーザー光による溶断部又は被切断部に向かってそれぞれ圧力波を照射する複数の圧力波源を備える圧力波照射部と、前記各圧力波の外周側に沿って前記溶断部又は被切断部に向かう噴流をそれぞれ噴射する噴流噴射部と、を備える。
この構成によれば、噴流噴射部から噴射された噴流によって、圧力波と外気との間で生じるせん断力を低減することができる。したがって、圧力波が減衰する可能性を低減することができる。特に、溶断部、又は被切断部が比較的に遠距離に配置されている場合であっても、強度を維持したまま、圧力波を到達させることができる。これにより、正確な切断又は溶断を行うことができる。
また、第二の態様によれば、前記噴流噴射部は、前記各圧力波の周囲を囲むようにして、前記噴流を噴射してもよい。
この構成によれば、噴流が圧力波の周囲を囲むようにして噴射されることから、圧力波と外気との間で生じるせん断力の発生を、圧力波の周囲全体にわたって低減することができる。
また、第三の態様によれば、前記噴流噴射部は、前記噴流が噴射される方向から見て円形をなす複数のノズル部を有してもよい。
この構成によれば、ノズル部が円形をなしていることから、圧力波を周囲から囲むとともに、周方向の全域にわたって均一な噴流を発生させることができる。これにより、圧力波と外気との間で生じるせん断力の発生を、圧力波の周囲全体にわたって低減することができる。
また、第四の態様によれば、前記噴流は、不活性ガスであってもよい。
この構成によれば、噴流として不活性ガスが用いられる。この場合、噴流が周囲空間の流体（空気）を遮断するため、溶断部又は被切断部において化学反応（酸化反応など）が生じる可能性を低減することができる。これにより、さらに安全に装置を運用することができる。
また、第五の態様によれば、レーザー切断方法は、レーザー光を照射して生じる被加工物に溶断部又は被切断部に圧力波を照射してドロスを除去すると共に、前記圧力波の外周側に沿って前記溶断部又は被切断部に向かう噴流を噴射する工程、を含む。
この方法によれば、圧力波の外周側に沿って噴射された噴流によって、圧力波と外気との間で生じるせん断力を低減することができる。したがって、圧力波が減衰する可能性を低減することができる。
本発明によれば、ドロスを効率的に除去することが可能なレーザー切断装置及びレーザー切断方法を提供することができる。
本発明の実施形態に係るレーザー切断装置の構成を示す図である。 レーザー光の照射方向から見た図１のＩＩ部拡大図である。 図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 伝搬距離に対する圧力レベルを示すグラフである。 本発明の実施形態に係るレーザー切断装置の変形例を、レーザー光の照射方向から見た拡大図である。 本発明の実施形態に係るレーザー切断装置の他の変形例を、レーザー光の照射方向から見た拡大図である。
本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示されるように、本実施形態に係るレーザー切断装置１は、レーザー光Ｌのエネルギーによって、対象物Ｓを溶断又は切断したり、対象物Ｓに穴あけ加工を施したりする装置である。レーザー切断装置１は、レーザー光照射装置２と、圧力波照射部３と、噴流噴射部４と、を備える。
レーザー光照射装置２は、レーザー発振装置２１と、加工ヘッド２２と、を有している。レーザー発振装置２１はレーザー光Ｌを発生させる。加工ヘッド２２は、レーザー発振装置２１で発生したレーザー光Ｌを、対象物Ｓの溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに照射する。加工ヘッド２２は、略円形の基板１０の中心位置に配置されている。
圧力波照射部３は、空気を振動させて圧力波Ｗを発生させる。圧力波Ｗは、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに付与される。圧力波Ｗが付与されることで、レーザー切断によって生じた溶融部であるドロスＤが吹き飛ばされる。
圧力波照射部３は、加工ヘッド２２を中心に、基板１０の周方向に沿って並ぶ複数の圧力波源３０を備える。各圧力波源３０は、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かって、それぞれ圧力波Ｗを照射する。
図１に示されるように、本実施形態では、圧力波照射部３は、基板１０の周方向に沿って並ぶ８個の圧力波源３０を備えるが、圧力波源３０の数や並びは、どのように構成されてもよい。
各圧力波源３０は、アレイ状に配列された複数の圧力波振動子３１をそれぞれ有する。
本実施形態において、圧力波Ｗは、超音波である。圧力波振動子３１としては、例えば超音波振動子が好適に用いられる。各圧力波源３０における複数の圧力波振動子３１は、図２に示されるように、格子状に配列されるとともに、外形が円環状をなすように、基板１０上で間隔をあけて配列されている。
複数の圧力波源３０からは、互いの振動が同期した状態で、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かってそれぞれ圧力波Ｗが照射される。
本実施形態では、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃにおいて、互いの圧力波Ｗが集束され、指向性が高められるように、複数の圧力波源３０が配置されている。
集束された圧力波Ｗは、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃで生じたドロスＤを吹き飛ばすエネルギーを有している。
噴流噴射部４は、各圧力波Ｗの周囲を気体の噴流Ｆによって覆うことで、当該圧力波Ｗを外気から保護する。噴流噴射部４は、気体を貯留するタンク４１と、基板１０上に形成された複数のノズル部４２と、タンク４１及び各ノズル部４２を接続する供給管４３と、を有する。
供給管４３の一端は、タンク４１に接続されている。供給管４３の他端は、複数に分岐されており、各ノズル部４２にそれぞれ接続されている。これにより、タンク４１に貯留された気体は、供給管４３を介して、各ノズル部４２に供給される。
図３に示されるように、噴流噴射部４は、各圧力波Ｗの外周側に沿って溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かう噴流Ｆを噴射する。
噴流Ｆの気体としては、空気の他、窒素、アルゴン等の不活性ガスが用いられる。
本実施形態において、各ノズル部４２は、基板１０に形成されている。各ノズル部４２は、供給管４３側から溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃ側に向かって基板１０を貫通する開口を有する開口部である。各ノズル部４２は、各圧力波源３０にそれぞれ設けられる。各ノズル部４２は、各圧力波源３０を外周側から囲むように、それぞれ円形のスリット状に開口している。タンク４１から圧送された気体は、各ノズル部４２を通過する際に噴流Ｆとなって溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに向かう。この時、各噴流Ｆは各圧力波源３０から照射される圧力波Ｗをそれぞれ外周側から囲むようにして流れる。
このような構成によって、レーザー切断装置１は、対象物Ｓにレーザー光Ｌを照射して生じる溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに圧力波Ｗを照射すると共に、圧力波Ｗの外周側に沿って溶断部Ｃ又は被切断部Ｃに向かう噴流Ｆを噴射する工程を含むレーザー切断方法を実施する。
対象物Ｓにレーザー光Ｌを照射することで、当該対象物Ｓには溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃが生じる。この時、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃには、対象物Ｓが溶融したドロスも生じる。各圧力波源３０から圧力波Ｗが照射されると、このドロスが圧力波Ｗによって除去される。ここで、圧力波Ｗが直接的に外気に曝されている場合、圧力波Ｗと外気との間でせん断力が生じてしまう。せん断力が生じると、最外周部の圧力波Ｗが減衰してしまう。そこで、本実施形態では、各圧力波Ｗの外周側に沿ってそれぞれ噴流Ｆが噴射される。この噴流Ｆによって圧力波Ｗと外気との間で生じるせん断力が低減される。
以上、説明したように、上述の構成によれば、噴流噴射部４から噴射された噴流Ｆによって、圧力波Ｗと外気との間で生じるせん断力を低減することができる。したがって、圧力波Ｗが減衰する可能性を低減することができる。
特に、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃが比較的に遠距離に配置されている場合であっても、強度を維持したまま、圧力波Ｗを到達させることができる。これにより、正確な切断又は溶断を行うことができる。
図４には、噴流Ｆを噴射した場合の圧力波Ｗの減衰特性曲線ＰＡと、噴流Ｆを噴射しなかった場合の圧力波Ｗの減衰特性曲線ＰＢとが示される。図４に示されるように、噴流Ｆを噴射しなかった場合に比べて、本実施形態のように噴流Ｆを噴射した場合の方が、伝搬距離に対する圧力波Ｗの減衰を抑制することができる。
このように、本実施形態のレーザー切断装置１は、比較的遠距離まで圧力波Ｗの圧力レベル（圧力強度）を維持させることができる。
さらに、上述の構成によれば、噴流Ｆが各圧力波Ｗの周囲を囲むようにして噴射されることから、圧力波Ｗと外気との間で生じるせん断力の発生を、圧力波Ｗの周囲全体にわたって低減することができる。
また、上述の構成によれば、ノズル部４２が円形をなしていることから、各圧力波Ｗを周囲から囲むとともに、周方向の全域にわたって均一な噴流Ｆを発生させることができる。これにより、圧力波Ｗと外気との間で生じるせん断力の発生を、圧力波Ｗの周囲全体にわたって低減することができる。
加えて、上述の構成によれば、噴流Ｆを形成する気体として不活性ガスが用いられる。したがって、溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃに残留した熱が噴流Ｆに伝播した場合でも、噴流Ｆ中で不用意な化学反応が生じる可能性を低減することができる。これにより、さらに安全に装置を運用することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
例えば、上記実施形態では、圧力波振動子３１が格子状かつ円環状に配列されている例について説明した。しかしながら、圧力波振動子３１の配置は上記実施形態によっては限定されず、全体として矩形状をなしていたり、多角形状をなしていたりしてもよい。
また、圧力波振動子３１は超音波振動子に限定されず、可聴領域の音波を発生させる素子を圧力波振動子として用いることも可能である。この場合、圧力波Ｗとして可聴領域の音波が用いられる。
また、上記実施形態では、噴流Ｆが圧力波Ｗの周囲を囲んでいるが、噴流Ｆは圧力波Ｗの周囲を完全に囲んでもよいし、部分的に囲んでもよい。変形例として、せん断力の発生を低減できるなら、噴流Ｆは、圧力波Ｗの周囲の一部に設けられてもよい。
また、上記実施形態では、ノズル部４２は、各圧力波源３０を外周側から囲むように、円形のスリット状の開口を有している。変形例として、図５に示される噴流噴射部４’のノズル部４２’のように、ノズル部は、各圧力波源３０を外周側から囲むように、各圧力波源３０の周囲に沿って並べられた複数の円弧のスリット状の開口を有していてもよい。他の変形例として、図６に示される噴流噴射部４’’のノズル部４２’’のように、ノズル部は、各圧力波源３０を外周側から囲むように、各圧力波源３０の周囲に沿って並べられた複数の穴を有していてもよい。この場合、穴の形状は、円形であってもよく、多角形であってもよい。
また、上記実施形態では、ノズル部４２は、基板１０に形成されている。変形例として、ノズル部は、基板１０とは別に、基板１０と溶断部Ｃ、又は被切断部Ｃとの間に設けられてもよい。
１ レーザー切断装置
２ レーザー光照射装置
３ 圧力波照射部
４ 噴流噴射部
４’ 噴流噴射部
４’’ 噴流噴射部
１０ 基板
２１ レーザー発振装置
２２ 加工ヘッド
３０ 圧力波源
３１ 圧力波振動子
４１ タンク
４２ ノズル部
４２’ ノズル部
４２’’ ノズル部
４３ 供給管
Ｃ 溶断部、又は被切断部
Ｆ 噴流
Ｓ 対象物
Ｌ レーザー光
Ｗ 圧力波

Claims (5)

  1. レーザー光を照射するレーザー光照射装置と、
    前記レーザー光による溶断部又は被切断部に向かってそれぞれ圧力波を照射する複数の圧力波源を備える圧力波照射部と、
    前記各圧力波の外周側に沿って前記溶断部又は被切断部に向かう噴流をそれぞれ噴射する噴流噴射部と、
    を備えるレーザー切断装置。
  2. 前記噴流噴射部は、前記各圧力波の周囲を囲むようにして、前記噴流を噴射する請求項１に記載のレーザー切断装置。
  3. 前記噴流噴射部は、前記噴流が噴射される方向から見て円形をなす複数のノズル部を有する請求項１又は２に記載のレーザー切断装置。
  4. 前記噴流は、不活性ガスである請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザー切断装置。
  5. レーザー光を照射して生じる被加工物に溶断部又は被切断部に圧力波を照射してドロスを除去すると共に、前記圧力波の外周側に沿って前記溶断部又は被切断部に向かう噴流を噴射する工程、
    を含むレーザー切断方法。
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