JP2019098373A - 付加加工用ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】供給管が加熱されるのを防止することができ、また、多様な付加加工を実現することができる付加加工用ヘッドを提供する。【解決手段】横断面が環状をしたレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射部２と、レーザ光照射部２から照射された環状のレーザ光Ｌを２つのレーザ光Ｌに分割する分割光学素子１１を備えたレーザ光分割機構部１０と、分割された２つレーザ光Ｌを集光させる集光光学素子１６を備えたレーザ光集光機構部１５と、一端側が、２つに分割されたレーザ光Ｌ，Ｌ間を通して、このレーザ光Ｌと干渉することなく、レーザ光Ｌ，Ｌ間に導入された供給路２６であって、その端部がレーザ光集光機構部１５によって集光されるレーザ光Ｌの集光部に開口する供給路２６を備え、この供給路２６を通じてレーザ光Ｌの集光部に材料粉末を供給する材料供給部２５とを設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて付加加工を行うための付加加工用ヘッドに関する。

従来の一般的な付加加工用ヘッドは、加工部位にレーザ光を照射するとともに、当該レーザ光の焦点領域に粉末材料（一般的には粉末金属）を供給するように構成されており、レーザ光により粉末材料を溶融して徐々に積層することによって、当該加工部位に所望の形状を形成する。

この粉末材料の供給には、一般的に、レーザ光の焦点領域に粉末材料を導くように配設された供給管が用いられており、粉末材料はこの供給管を介して前記レーザ光の焦点領域に供給される。

ところで、一般的な付加加工用ヘッドの場合、加工部位に照射されるレーザ光は、その横断面形状が中実の円形をしているため、全ての粉末材料をレーザ光の焦点領域内に投入するのが困難で、供給される粉末材料の全てを完全に溶融させることができない場合があり、このため、溶融層の内部に欠陥を生じる、或いは緻密な溶融層を十分な厚さで形成することができないという問題があった。

そこで、このような問題を解消するために、従来、特開２００３−２６６１８９号公報（下記特許文献１）に開示されるような付加加工用ヘッドが提案されている。この付加加工用ヘッドは、円錐外面鏡及び円錐内面鏡の組み合わせによって、レーザ光の横断面形状を中実円形から環状の円形に変換し、この円環状をしたレーザ光の環内に供給管の出口部分を配置して、当該円環状をしたレーザ光の焦点領域に粉末材料を供給するように構成されている。

斯くして、このように構成された特許文献１の付加加工用ヘッドによれば、円環状をしたレーザ光の当該円環内からその前記焦点領域に向けて粉末材料が供給されるので、材料粉末は溶融又は半溶融状態で加工部位に供給され、これにより、当該加工部位に、内部欠陥の無い、緻密な溶融層が十分な厚さで形成される。

特開２００３−２６６１８９号公報

ところが、上述した特許文献１に開示される付加加工用ヘッドは、上記のような効果を奏するものの、その一方で、以下に説明するような問題があった。

即ち、上記特許文献１には、付加加工用ヘッドの一態様として、材料粉末を供給する供給管がレーザ光と交差するように配設され、その一端が前記粉末材料の供給タンクに接続され、他端が環状レーザ光の焦点領域に臨むように配置された態様のものが開示されているが、このような態様の付加加工用ヘッドの場合、供給管がレーザ光のエネルギによって加熱され、また、このような供給管の加熱によって、加工に供されるべきレーザ光のエネルギが失われるという問題があった。

一般的に、上記供給管には銅管が使用されているが、銅管の場合、レーザ光のエネルギを吸収し易く、このエネルギの吸収によって昇温され、その温度が約２００℃を超えると酸化が促進されるという特性を有している。そして、銅管が酸化されると、酸化の度合いに応じてレーザ光のエネルギの吸収率が高まって、より高温に昇温され、最終的には銅の溶解温度にまで達して、当該供給管が破損することになる。また、銅の溶解温度に達しないまでも、供給する粉末材料が供給管内で溶融するといった問題を生じかねない。このような問題は、銅管を金メッキすることによって解決することができるが、供給管が高価なものになって、現実的ではない。

また、上記特許文献１には、前記粉末材料の供給タンク及び供給管の全てを円環状のレーザ光の内部に配設した態様も開示されているが、このような態様では、付加加工用ヘッドを必要以上に巨大化しなければならないため非現実的ではあるが、仮に、実現し得たとしても、採用し得る供給タンクの大きさには限界があり、これによって粉末材料の供給量が制限されるため、多様な付加加工には適さないという問題がある。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、供給管が加熱されるのを防止することができ、また、多様な付加加工を実現することができる付加加工用ヘッドの提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
横断面が環状をしたレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を２つのレーザ光に分割する分割光学素子を備えたレーザ光分割機構部と、
前記レーザ光分割機構部によって分割された前記２つレーザ光を集光させる集光光学素子を備えたレーザ光集光機構部と、
その一端側が、前記２つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入された供給路であって、その端部が前記レーザ光集光機構部によって集光される前記レーザ光の集光部に開口する供給路を備え、該供給路を通じて前記レーザ光の集光部に材料粉末を供給する材料供給部とを設けて構成した付加加工用ヘッドに係る。

この付加加工用ヘッドによれば、まず、レーザ光照射部から横断面形状が環状をしたレーザ光が照射される。そして、照射された環状のレーザ光はレーザ光分割機構部の分割光学素子に導かれ、この分割光学素子によって２つのレーザ光に分割される。次に、分割された各レーザ光はレーザ光集光機構部の集光光学素子に導かれ、この集光光学素子によって集光される。

そして、レーザ光の集光部では、当該レーザ光のエネルギによって母材が溶融されるとともに、前記供給路の開口部から供給される粉末材料が当該レーザ光のエネルギによって溶融される。斯くして、当該付加用加工ヘッドを適宜方向の走査することで、母材と粉末材料とが相溶状態を形成しつつ、所望の付加形状が形成される。

その際、供給路は、その一端側が、２つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入されており、レーザ光に直接的に曝されていないので、当該供給路を銅管など、レーザ光のエネルギを吸収して昇温し易い材料から形成しても、当該銅管が昇温するといった従来のような問題は生じない。

また、この態様の付加加工用ヘッドでは、分割したレーザ光を元の形状に結合されるように集光させた状態、或いは、元の形状に結合させないで、分割したまま集光させた状態、或いは、分割した２つのレーザ光が重畳的に重なるように集光させた状態で付加加工することができる。このようにすることで集光させるレーザ光の幅寸法を調整することができ、調整されたレーザ光の幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッドを走査することで、形成される粉末材料の溶融層の幅を所望の幅に設定することができる。

また、本発明では、前記分割光学素子は、逆Ｖ字状をした山型の反射面を有する凸型ミラーから成り、
前記集光光学素子は、Ｖ字の溝状をした反射面を有する凹型ミラーから成り、該凹型ミラーは、前記凸型ミラーからレーザ光を受光するように配設され、
前記凸型ミラー及び凹型ミラーは、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光の光軸と平行になるように配設され、
前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を前記凸型ミラーの反射面により反射して、２つのレーザ光に分割するように構成され、
前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された２つのレーザ光を前記凹型ミラーの反射面により反射した後、集光させる態様を採ることができる。

或いは、本発明では、前記分割光学素子は、Ｖ字状をした横断面を有する凹型プリズムから成り、
前記集光光学素子は、逆Ｖ状をした横断面を有する凸型プリズムから成り、該凸型プリズムは、前記凹型プリズムからの前記レーザ光を受光するように配設され、
前記凹型プリズム及び凸型プリズムは、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光の光軸と平行になるように配設され、
前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を、前記凹型プリズムを透過させることによって２つのレーザ光に分割するように構成され、
前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された２つレーザ光を、前記凸型プリズムを透過させることによって集光させる態様を採ることができる。

また、本発明では、前記分割光学素子及び集光光学素子を、それぞれのＶ字条線を含む面と直交する方向に移動させて、前記レーザ光の分割比を調整する分割比調整機構部を設けることができる。

この態様によれば、レーザ光の分割比を所望の比率に調整するとともに、レーザ光を分割したままの状態で集光させることで、例えば、比率の大きい側に向けて当該付加加工用ヘッドを走査すると、進行方向の前側におけるレーザ光の割合が多くなるので、進行方向前側の母材を溶融させる効率を高めることができ、このようにすることで、後続位置に供給される粉末材料の溶融効率を高めることができる。

また、本発明では、前記分割光学素子と前記集光光学素子の少なくとも一方を、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の光軸と平行な方向に移動させて、前記分割光学素子と前記集光光学素子との間の光路長を調整する光路長調整機構部を設けることができる。

光路長調整機構部により、分割光学素子と集光光学素子との間の光路長を調整することで、集光光学素子によるレーザ光の集光状態を、容易に上述したような様々な態様、即ち、レーザ光を分割したまま集光させた態様、レーザ光を元の環状に結合されるように集光させた態様、及び２つのレーザ光が重畳的に重なるように集光させた態様とすることができる。

そして、例えば、２つのレーザ光を分割したまま集光させる態様とすることで、供給路の開口部をよりレーザ光の集光部に近づけることができ、更に、集光される２つのレーザ光の間隔を調整することによって、供給路の開口部を可及的にレーザ光の集光部に近づけることができる。そして、このようにすることで、材料粉末をレーザ光の集光部により正確に供給することができ、材料粉末のより効果的な使用を実現することができる。また、集光される２つレーザ光の間隔を調整することにより、上述したようなレーザ光の幅寸法の調整を行うことができる。

一方、２つのレーザ光を重畳的に重なるように集光させた態様では、レーザ光の焦点位置を加工部位の上方位置に設定することができ、このようにすることで、材料粉末が焦点位置を通過する際に溶融され、溶融された状態で加工部位に供給されるようにすることができる。

尚、本発明では、前記供給路は銅管などの管体から形成することができ、また、樹脂や金属からなるブロック状のものに、適宜通路を形成したものなど、レーザ光と干渉することなく当該レーザ光の集光部に開口すべく形成された全ての態様の供給路を含む。

また、環状のレーザ光は、その横断面形状に制限は無く、円形の環状の他、三角形の環状や矩形の環状など、多角形の環状を含む。

以上のように、本発明によれば、粉末材料の供給路が、２つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入されており、レーザ光に直接的に曝されていないので、当該供給路を銅管など、レーザ光のエネルギを吸収して昇温し易い材料から形成しても、当該銅管が昇温するといった従来のような問題は生じない。

また、本発明では、分割したレーザ光を元の環状に集光させる、或いは、分割したまま集光させる、或いは、重畳的に重なるように集光させることができ、このようにすることで集光させるレーザ光の幅寸法を調整することができる。そして、調整されたレーザ光の幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッドを走査することで、形成される粉末材料の溶融層の幅を所望の幅に設定することができる。

本発明の一実施形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 図１における矢示Ａ方向から見た説明図である。 本実施形態におけるレーザ光の分割比の調整について説明するための説明図である。 本実施形態の付加加工について説明するための説明図である。 本実施形態の付加加工について説明するための説明図である。 本発明の他の形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 本発明の他の形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 図７における矢示Ｈ方向から見た説明図である。

以下、本発明の一具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１及び２に示すように、本例の付加加工用ヘッド１は、レーザ光照射部２、レーザ光分割機構部１０、レーザ光集光機構部１５、材料供給部２５、分割比調整機構部３０、光路長調整機構部３５、及び筐体であるカバー体２０などから構成される。

前記レーザ光照射部２は、順次下方に向けて配設された光ファイバ３、コリメーションレンズ４、第１アキシコンレンズ５、球面レンズ６及び第２アキシコンレンズ７から構成される。光ファイバ３は、レーザ発振器（図示せず）から照射されたレーザ光を伝送する光学伝送路（図示せず）に接続されており、当該レーザ発振器（図示せず）から照射されたレーザ光をその開口部から照射する。そして、光ファイバ３から照射されたレーザ光Ｌは、コリメーションレンズ４によって横断面が中実の円形をした平行光に変換される。

前記第１アキシコンレンズ５及び第２アキシコンレンズ７は、それぞれ一方面５ａ，７ａが平面形状を有し、他方面５ｂ，７ｂが円錐形状を有するレンズで、円錐面５ｂ，７ｂ側が対向するように同軸に配設され、第１アキシコンレンズ５と第２アキシコンレンズ７との間には前記球面レンズ６が配設される。斯くして、コリメーションレンズ４によって横断面が中実の円形をした平行光に変換されたレーザ光Ｌは、第１アキシコンレンズ５，球面レンズ６及び第２アキシコンレンズ７を順次透過することによって横断面が円環状をしたレーザ光Ｌに変換される。

前記レーザ光分割機構部１０は、分割光学素子として、逆Ｖ字状をした山型の反射面を有する凸型ミラー１１を備え、前記第２アキシコンレンズ７を透過して照射された横断面が円環状のレーザ光Ｌを前記凸型ミラー１１の反射面により反射することによって、２つの円弧状をしたレーザ光Ｌに分割する（図３参照）。尚、この凸型ミラー１１は、図示しない適宜支持部材によって、前記第２アキシコンレンズ７から照射されるレーザ光Ｌの光軸と直交する矢示Ｂ−Ｃ方向、及びを当該レーザ光Ｌの光軸と平行な上下方向である矢示Ｄ−Ｅ方向に移動可能、更に、当該レーザ光Ｌの光軸と直交する前記矢示Ｂ−Ｃ方向と平行な軸を中心として矢示Ｆ−Ｇ方向に回転可能に支持されている。

前記レーザ光集光機構部１５は、集光光学素子として、Ｖ字の溝状をした反射面を有する凹型ミラー１６、第１集光レンズ１７、第２集光レンズ１８及び保護レンズ１９を備えて構成される。

前記凹型ミラー１６は、前記凸型ミラー１１によって反射されたレーザ光Ｌを受光する位置に配設されるとともに、これら凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６は、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光Ｌの光軸と平行になるように配設されている。この凹型ミラー１６は、前記凸型ミラー１１によって２つの円弧状に分割されたレーザ光Ｌを、そのＶ字状をした凹型の反射面により反射することによって、両レーザ光Ｌが近づくように集光させる作用を成すもので、前記凸型ミラー１１と同様に、図示しない適宜支持部材によって、前記第２アキシコンレンズ７から照射されるレーザ光Ｌの光軸と直交する矢示Ｂ−Ｃ方向に移動可能に支持されている。

前記第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８は、前記凹型ミラー１６によって反射されたレーザ光Ｌを、カバー体２０に形成された開口部２０ａを通して、ワークＷの加工部位Ｗａ上に集光させる作用を成す。また、カバー体２０の内部構造を詳しく図示していないが、前記保護レンズ１９は、カバー体２０内に配設される、少なくともコリメーションレンズ４、第１及び第２アキシコンレンズ５，７、球面レンズ６、凸型ミラー１１、凹型ミラー１６、第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８を外部雰囲気から隔離して保護する役割を成す。

前記分割比調整機構部３０は、前記凸型ミラー１１を矢示Ｂ−Ｃ方向に移動させる第１横移動部３１と、前記凹型ミラー１６を矢示Ｂ−Ｃ方向に移動させる第２横移動部３２と、これらの動作を制御する制御部３３とから構成される。第１横移動部３１は、矢示Ｂ−Ｃ方向と平行に配設され、且つ前記凸型ミラー１１に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。また、第２横移動部３２も同様に、矢示Ｂ−Ｃ方向と平行に配設され、且つ前記凹型ミラー１６に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。そして、前記制御部３３は、第１横移動部３１及び第２横移動部３２のモータをそれぞれ制御することによって凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６を同期させて矢示Ｂ−Ｃ方向に移動させる。

前記光路長調整機構部３５は、前記凸型ミラー１１を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させる昇降部３６、当該凸型ミラー１１を矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させる回転部３７、並びに昇降部３６及び回転部３７の動作を制御する制御部３８から構成される。昇降部３６は、前記凸型ミラー１１の矢示Ｆ−Ｇ方向への回転を許容するように、当該凸型ミラー１１に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。また、回転部３７は凸型ミラー１１を矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるモータを備えて構成される。そして、前記制御部３８は、昇降部３６のモータを制御することによって凸型ミラー１１を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させ、回転部３７のモータを制御することによって凸型ミラー１１を矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させる。尚、前記制御部３３及び３８は一つの制御装置４０に組み込まれている。

前記材料供給部２５は、粉末材料を供給する材料供給部（図示せず）と、この材料供給部（図示せず）に接続された供給管２６から構成される。前記材料供給部（図示せず）に接続された供給管２６は、前記凸型ミラー１１により２つに分割されたレーザ光Ｌ，Ｌ間を通るように前記凹型ミラー１６を貫通するとともに、前記第１集光レンズ１７、第２集光レンズ１８及び保護レンズ１９をそれぞれ貫通して、その端部がワークＷの加工部位Ｗａに集光されるレーザ光Ｌの当該集光部と対向する位置に配置されており、当該端部の開口から、前記レーザ光Ｌの集光部に粉末材料を供給する。尚、供給管２６が貫通する凹型ミラー１６の貫通孔１６ａは、当該凹型ミラー１６が矢示Ｂ−Ｃ方向に移動可能となるように長孔に形成されている（図３参照）。

また、前記カバー体２０内には、少なくともレーザ光照射部２、レーザ光分割機構部１０及びレーザ光集光機構部１５を構成する光学系の構成要素、並びに供給管２６の一部が格納されている。

以上の構成を備えた本例の付加加工用ヘッド１によれば、以下のようにして、付加加工が実行される。尚、ワークＷの材質については必要に応じて適宜設定されるが、本例では、金属の板材をワークＷとして用いる。また、材料粉末としては、ステンレス、チタン合金、インコネル（登録商標）などの粉末を用いることができる。更に、材料供給部２５によって供給される材料としては、前記粉末材料の他に、ワイヤ状の材料を用いることができる。

本例の付加加工用ヘッド１によれば、まず、レーザ光照射部２の光ファイバ３からレーザ光Ｌが照射され、照射されたレーザ光Ｌはコリメーションレンズ４、第１アキシコンレンズ５、球面レンズ６及び第２アキシコンレンズ７を順次透過することによって横断面が円環状をしたレーザ光Ｌに変換される。

横断面が円環状に変換されたレーザ光Ｌは、次に、凸型ミラー１１の反射面により反射されることによって、図３に示すように、２つの円弧状をしたレーザ光Ｌに分割され、ついで、分割されたレーザ光Ｌは凹型ミラー１６により反射されることによって、分割された状態から両レーザ光Ｌが近づくように集光され、ついで、第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８を透過することによって更に集光された後、保護レンズ１９を透過し、カバー体２０の開口部２０ａを経て、ワークＷの加工部位Ｗａ上に結像される。斯くして、ワークＷの加工部位Ｗａ（母材）は結像されるレーザ光Ｌのエネルギによって溶融状態となる。

一方、ワークＷの加工部位Ｗａ上には、供給管２６から粉末材料が供給されており、この粉末材料もレーザ光Ｌのエネルギによって溶融状態となり、母材と粉末材料とが相溶状態となるメルトプールが形成される。

斯くして、このような状態で、付加加工用ヘッド１を適宜方向に走査することで順次加工部位Ｗａが走査方向に移動し、当該加工部位Ｗａ上に粉末材料の溶融体が積層、付加され、これによって所望の付加形状が形成される。

そして、本例の付加加工用ヘッド１では、前記供給管２６が、前記凸型ミラー１１により２つに分割されたレーザ光Ｌ，Ｌ間を通るように前記凹型ミラー１６を貫通して、該レーザ光Ｌと干渉することなく当該レーザ光Ｌ，Ｌ間に導入され、前記第１集光レンズ１７、第２集光レンズ１８及び保護レンズ１９をそれぞれ貫通して、その端部がワークＷの加工部位Ｗａと対向する位置に配置されており、レーザ光Ｌには直接的に曝されていないので、当該供給管２６に、銅管など、レーザ光Ｌのエネルギを吸収して昇温し易い材料の管を用いても、当該供給管２６が昇温するといった従来のような問題は生じない。

また、本例の付加加工用ヘッド１では、制御部３３による制御の下で、前記分割比調整機構部３０の第１横移動部３１及び第２緯移動部３２により、凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６を同期させて矢示Ｂ−Ｃ方向に移動させることで、図３に示すように、レーザ光Ｌの分割比を所望の比率に調整することができる。図３（ａ）は、レーザ光Ｌの光軸と凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６のＶ字条線が同一平面内に在る場合を示しており、この場合には、レーザ光Ｌは均等に２分割される。また、図３（ｂ）は、凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６をレーザ光Ｌの光軸に対して矢示Ｂ方向に移動させた状態を示しており、この場合には、レーザ光Ｌは矢示Ｂ側が反対側より小さな円弧となるように分割される。また、図３（ｃ）は、凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６をレーザ光Ｌの光軸に対して矢示Ｃ方向に移動させた状態を示しており、この場合には、レーザ光Ｌは矢示Ｃ側が反対側より小さな円弧となるように分割される。

そして、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、どちらかが大きな比率の円弧となるようにレーザ光Ｌを分割するとともに、レーザ光Ｌが分割されたままワークＷの加工部位Ｗａに集光（結像）されるようにし、この状態で、図４に示すように、付加加工用ヘッド１を比率の大きい円弧側に向けて走査すると、進行方向の前側におけるレーザ光Ｌの割合が多くなるので、当該進行方向前側における母材の溶融効率が高められて、より多くの溶融体（メルトプール）を形成することができ、このようにすることで、後続位置に供給される粉末材料の溶融効率を高めることができる。尚、図４において、符号Ｐは粉末材料が供給される位置を示しており、符号Ｗｂは付加加工によって形成（積層）された付加層を示している。

また、同図４に示すように、進行方向後側の分割比率を小さくすることで、溶融体を徐々に冷却することができ、付加層Ｗｂにおいて求められる組織が徐冷を必要とする場合には、このような態様を採ることで、求める組織を得ることができる。

また、レーザ光Ｌを分割したままワークＷの加工部位Ｗａに集光させることで、図４に示すように、粉末材料及び母材が溶融した状態の領域を付加加工用ヘッド１の走査方向に沿って長く設定することができるので、その分割比率に拘わらず、粉末材料の凝集等に起因した残留気孔の解消（消失）や、粉末材料の完全な溶融化等を図ることができ、これにより、付加層Ｗｂの表面粗さの改善や内部組織の改善を図ることができる。

本例の付加加工用ヘッド１では、光路長調整機構部３５により、凸型ミラー１１から凹型ミラー１６に至るレーザ光Ｌの光路長を調整することで、ワークＷの加工部位Ｗａ上に集光（結像）されるレーザ光Ｌの集光状態を、図５に示すように変更することができる。図５（ａ）には、分割されたレーザ光Ｌが元の円環状に結合された例を示している。図５（ｂ）には、図５（ａ）の状態から光路長を長くすることによって、レーザ光Ｌが分割したままの状態で集光される例を示している。また、図５（ｃ）には、図５（ａ）の状態から光路長を短くすることによって、２つのレーザ光Ｌが重畳的に重なるように集光される例を示している。

レーザ光Ｌの光路を長くするには、制御部３８による制御の下で昇降部３６により凸型ミラー１１を矢示Ｅ方向に降下させると共に、回転部３７により凸型ミラー１１を矢示Ｇ方向に回転させて、当該レーザ光Ｌを加工部位Ｗａ上に集光させる。一方、レーザ光Ｌの光路を短くするには、制御部３８による制御の下で、昇降部３６によって凸型ミラー１１を矢示Ｄ方向に上昇させると共に、回転部３７によって凸型ミラー１１を矢示Ｆ方向に回転させて、当該レーザ光Ｌを加工部位Ｗａ上に集光させる。

斯くして、２つのレーザ光Ｌを分割したまま集光させる態様とすることで、供給管２６の端部（開口部）をよりレーザ光Ｌの集光部（加工部位Ｗａ）に近づけることができ、更にその集光される２つレーザ光Ｌの間隔を調整することによって、当該供給管２６の端部を可及的にレーザ光Ｌの集光部（加工部位Ｗａ）に近づけることができ、このようにすることで、材料粉末をレーザ光Ｌの集光部により正確に供給することができ、材料粉末のより効果的な使用を実現することができる。

また、このように、集光される２つレーザ光Ｌの間隔を調整することにより、レーザ光Ｌの幅寸法を調整することができ、図５に示すように、調整されたレーザ光Ｌの幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッド１を走査することで、形成される付加層Ｗｂの幅を所望の幅に設定することができる。例えば、図５（ｂ）に示した例では、図５（ａ）に示したものに比べて、幅広の付加層Ｗｂを得ることができ、大きな付加加工形状を得る場合に、これを迅速、且つ効率的に得ることができる。また、図５（ｃ）に示した例では、図５（ａ）に示したものに比べて、幅の狭い付加層Ｗｂを得ることができ、微細な付加加工形状を得ることができる。尚、図５においても、符号Ｐは粉末材料の供給位置を示しており、予定される付加層Ｗｂの幅に応じて粉末材料の供給量が調整される。

また、２つのレーザ光Ｌが重畳的に重なるように集光させた態様では、レーザ光Ｌの焦点位置を加工部位Ｗａの上方位置に設定することができ、このようにすることで、供給管２６から供給される材料粉末は焦点位置を通過する際に溶融され、溶融状態で加工部位Ｗａに供給される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。

例えば、本発明は、図６に示した態様を採ることができる。この付加加工用ヘッド１’は、レーザ光Ｌ集光機構部１５’の凹型ミラー１６’及び材料供給部２５’の供給管２６’が上述した付加加工用ヘッド１の凹型ミラー１６及びの供給管２６と異なるものであり、他の構成については、付加加工用ヘッド１と同一である。したがって、図６では、付加加工用ヘッド１と同一の構成物については同一の符号を付している。

図６に示した付加加工用ヘッド１’は、供給管２６’が凹型ミラー１６’を貫通しないように配設された構成を備えるもので、当該供給管２６’は、凹型ミラー１６’と凸型ミラー１１との間の、当該凹型ミラー１６’の近傍から、凸型ミラー１１によって２つに分割されたレーザ光Ｌ，Ｌ間を通って、当該レーザ光Ｌと干渉することなく、当該レーザ光Ｌ，Ｌ間に導入されており、図６に示す如く、２カ所で屈曲されてその下端部が前記加工部位Ｗａに臨んでいる。

このように配設された供給管２６’によっても、レーザ光Ｌに直接に曝されていないので、レーザ光Ｌのエネルギを吸収して昇温するといった従来のような問題は生じない。尚、この態様の供給管２６’では、屈曲部に適宜管継手を用いることができる。

また、粉末材料を供給するための供給路は、上述した供給管２６，２６’から形成されるものに限られず、樹脂や金属からなるブロック状のものに、適宜通路を形成したものでも良い。要は、供給路は、レーザ光Ｌと干渉することなく当該レーザ光Ｌの集光部（加工部位Ｗａ）に開口すべく形成されていれば良い。

また、本発明は、図７及び図８に示した態様を採ることができる。この付加加工用ヘッド１”は、レーザ光分割機構１０”及びレーザ光集光機構部１５”の構成が上述した付加加工用ヘッド１と異なる。したがって、図７及び図８では、付加加工用ヘッド１と同一の構成物については同一の符号を付し、以下では、その詳しい説明を省略する。

前記レーザ光分割機構部１０”は、前記第２アキシコンレンズ７の下方に、分割光学素子として、横断面がＶ字状をした凹型プリズム１１”、及びこの凹型プリズム１１”の下方に設けられたミラー１２を備えている。凹型プリズム１１”は、第２アキシコンレンズ７を透過して照射された横断面が円環状のレーザ光Ｌを、２つの円弧状のレーザ光Ｌに分割して透過する（図３参照）。そして、ミラー１２は分割されたレーザ光Ｌをレーザ光集光機構部１５”に向けて水平に反射する。

前記レーザ光集光機構部１５”は、集光光学素子として、前記ミラー１２に対して対向するように設けられたミラー２１、及びこのミラー２１の下方に設けられた横断面が逆Ｖ状を有する凸型プリズム１６”を備えている。凹型プリズム１１”と凸型プリズム１６”とは、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光Ｌの光軸と平行になるように配設されている。

また、前記ミラー２１の中心部には貫通孔２１ａが穿孔され、同様に、凸型プリズム１６”の中心部には、Ｖ字の条線と直交するように貫通孔である長孔１６”ａが穿孔されている。そして、これら貫通孔２１ａ及び長孔１６”ａを貫通するように前記供給管２６が設けられている。

斯くして、前記ミラー１２によって反射された２つのレーザ光Ｌはミラー２１によって下方の凸型プリズム１６”に向けて反射され、２つのレーザ光Ｌは当該凸型プリズム１６”を透過することによって、相互に近づくように集光され、ついで前記第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８を透過することにより更に集光された後、保護レンズ１９を透過し、カバー体２０の開口部２０ａを経て、ワークＷの加工部位Ｗａ上に結像される。

また、凹型プリズム１１”及び凸型プリズム１６”は、それぞれ図示しない適宜支持部材によって、前記第２アキシコンレンズ７から照射されるレーザ光Ｌの光軸と直交する矢示Ｂ−Ｃ方向に移動可能に支持されており、凹型プリズム１１”は第１横移動部３１によって矢示Ｂ−Ｃ方向に移動し、凸型プリズム１６”は第２横移動部３２によって矢示Ｂ−Ｃ方向に移動する。

また、ミラー１２は、前記第２アキシコンレンズ７から照射されるレーザ光Ｌの光軸と平行な上下方向である矢示Ｄ−Ｅ方向に移動可能、更に、当該レーザ光Ｌの光軸と直交する前記矢示Ｂ−Ｃ方向と平行な軸を中心として矢示Ｆ−Ｇ方向に回転可能に支持されており、昇降部３６によって矢示Ｄ−Ｅ方向に移動し、回転部３７によって矢示Ｆ−Ｇ方向に回転する。

斯くして、この付加加工用ヘッド１”においても、上述した付加加工用ヘッド１と同様の効果が奏される。

また、上例の付加加工用ヘッド１，１’では、光路長調整機構部３５によって、凸型ミラー１１を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させるとともに、矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにしたが、これに限られるものではなく、凹型ミラー１６を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させるとともに、矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにしても良く、或いは、凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６の双方を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させるとともに、矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにしても良い。このようにしても、集光されるレーザ光Ｌの幅を調整することができ、これにより付加層の幅を調整することができる。また、凸型ミラー１１及び凹型ミラー１６の双方を矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにして、第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８にレーザ光Ｌが垂直に入射するように調整しても良い。

同様に、上例の付加加工用ヘッド１”において、光路長調整機構部３５によって、ミラー２１を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させるとともに、矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにしても良く、或いは、ミラー１２及びミラー２１の双方を矢示Ｄ−Ｅ方向に昇降させるとともに、矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにしても良い。このようにしても、集光されるレーザ光Ｌの幅を調整することができ、これにより付加層の幅を調整することができる。また、ミラー１２及びミラー２１の双方を矢示Ｆ−Ｇ方向に回転させるようにして、第１集光レンズ１７及び第２集光レンズ１８にレーザ光Ｌが垂直に入射するように調整しても良い。

また、上例の付加加工用ヘッド１”において、前記凹型プリズム１１”の上方又は下方に、そのＶ字の条線が互いに交差（例えば直交）するように、更に、凹型プリズム１１”を配設しても良い。これにより、上下２つの凹型プリズム１１”を透過する際に、レーザ光Ｌが４つに分割して拡大することができ、更には、２つの凹型プリズム１１”をそのＶ字条線が直交するように配設することで、レーザ光Ｌを四方に均等に分割して拡大させることができる。そして、このようにすることで、付加層Ｗｂの幅を可変にすることができる。

また、上例では、横断面形状が円環状のレーザ光Ｌとしたが、横断面形状はこれに限られるものではなく、三角形の環状や矩形の環状など、多角形の環状をしたレーザ光であっても良い。

１ 付加加工用ヘッド
２ レーザ光照射部
３ 光ファイバ
４ コリメーションレンズ
５ 第１アキシコンレンズ
６ 球面レンズ
７ 第２アキシコンレンズ
１０ レーザ光分割機構部
１１ 凸型ミラー
１５ レーザ光集光機構部
１６ 凹型ミラー
１７ 第１集光レンズ
１８ 第２集光レンズ
１９ 保護レンズ
２０ カバー体
２０ａ 開口部
２５ 材料供給部
２６ 供給管
３０ 分割比調整機構部
３１ 第１横移動部
３２ 第２横移動部
３３ 制御部
３５ 光路長調整機構部
３６ 昇降部
３７ 回転部
３８ 制御部
４０ 制御装置

Claims (5)

1. 横断面が環状をしたレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
   前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を２つのレーザ光に分割する分割光学素子を備えたレーザ光分割機構部と、
   前記レーザ光分割機構部によって分割された前記２つレーザ光を集光させる集光光学素子を備えたレーザ光集光機構部と、
   その一端側が、前記２つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入された供給路であって、その端部が前記レーザ光集光機構部によって集光される前記レーザ光の集光部に開口する供給路を備え、該供給路を通じて前記レーザ光の集光部に材料粉末を供給する材料供給部とを設けて構成したことを特徴とする付加加工用ヘッド。
2. 前記分割光学素子は、逆Ｖ字状をした山型の反射面を有する凸型ミラーから成り、
   前記集光光学素子は、Ｖ字の溝状をした反射面を有する凹型ミラーから成り、該凹型ミラーは、前記凸型ミラーからレーザ光を受光するように配設され、
   前記凸型ミラー及び凹型ミラーは、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光の光軸と平行になるように配設され、
   前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を前記凸型ミラーの反射面により反射して、２つのレーザ光に分割するように構成され、
   前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された２つのレーザ光を前記凹型ミラーの反射面により反射した後、集光させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の付加加工用ヘッド。
3. 前記分割光学素子は、Ｖ字状をした横断面を有する凹型プリズムから成り、
   前記集光光学素子は、逆Ｖ状をした横断面を有する凸型プリズムから成り、該凸型プリズムは、前記凹型プリズムからの前記レーザ光を受光するように配設され、
   前記凹型プリズム及び凸型プリズムは、それぞれのＶ字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光の光軸と平行になるように配設され、
   前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を、前記凹型プリズムを透過させることによって２つのレーザ光に分割するように構成され、
   前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された２つレーザ光を、前記凸型プリズムを透過させることによって集光させるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の付加加工用ヘッド。
4. 前記分割光学素子及び集光光学素子を、それぞれのＶ字条線を含む面と直交する方向に移動させて、前記レーザ光の分割比を調整する分割比調整機構部を設けたことを特徴とする請求項２又は３記載の付加加工用ヘッド。
5. 前記分割光学素子と前記集光光学素子の少なくとも一方を、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の光軸と平行な方向に移動させて、前記分割光学素子と前記集光光学素子との間の光路長を調整する光路長調整機構部を設けたことを特徴とする請求項２乃至４記載のいずれかの付加加工用ヘッド。
   

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