JP2019177382A - 冷却装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象物からノズルへ輻射熱が伝わることを高効率に抑制できる冷却装置及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置（１）のノズル（１１）とは別体に設けられかつ内部に冷媒を通す通路を有する冷却ジャケット（２１０）を備える冷却装置（２０）である。そして、冷却ジャケット（２１０）が、ノズル（１１）の外側に配置されることで、加工対象物（６）からノズル（１１）へ伝わる輻射熱を遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置のノズルを冷却する冷却装置及びそれを備えたレーザ加工装置に関する。

以前より、高エネルギー密度のレーザビームを照射して、加工対象物の切断又は溶接等の加工を行うレーザ加工装置がある。レーザ加工装置は、レーザビームとガス又は粉体等を出射するノズルを備える。

特許文献１には、レーザ加工装置のノズル内に、インナーノズルをガスで冷却する冷却回路が設けられた技術が開示されている。特許文献２には、レーザ加工装置のノズルを水冷する技術が示されている。特許文献２の技術は、ノズルのシールドガスを噴射する部分に水冷の構造を付加し、シールドガスを冷却する。

特開２０１４−２００８０２号公報 特開昭６０−２３４７８３号公報

近年、困難な加工を実現するため、加工対象物を高温に予熱した状態で、ノズルからレーザビームとガス又は粉体等とを出射して、所定の加工を行う加工方法が開発されている。しかしながら、このような加工方法では、高温に予熱された加工対象物の広い範囲から熱輻射がノズルに照射され、ノズルが高温に熱せられて悪影響を及ぼす恐れがあった。

一方、従来のノズルに設けられる冷却構造は、レーザ光の照射により加熱された加工面からの熱輻射、あるいは、加工面からのレーザ光の反射光に起因するノズルの加熱を低減させたる目的で設けられている。加工面からの熱輻射又はレーザ光の反射光により熱せられる箇所は、ノズルの先端部又はノズルのインナー部である。このため、従来のノズルの冷却構造は、ノズルの加熱される箇所から熱を排出するように、ノズル自体に設けられている。また、従来のノズルに設けられる冷却構造は、加工対象物に噴射するガスを冷却する目的で設けられることもある。例えば特許文献２の冷却構造は、ガスを冷却するため水冷の構造がノズル自体に設けられている。

このような構造であるため、加工対象物を高温に予熱して加工を行う加工方法に、従来の冷却構造を持ったノズルを使用しても、加工対象物の広い範囲から生じる熱輻射の影響を十分に排除することはできなかった。従来の冷却構造もったノズルでは、予熱された加工対象物の広い範囲から強い熱輻射が照射された場合に、先ず、ノズルの外周部が熱せられてしまう。そして、この熱がノズルの肉厚部を伝って、ノズルの内部に移動してしまう。この場合、ノズル内に設けられるレンズ又はカバーガラス等が高温に晒されてしまったり、噴射ガスの冷却能力が低下したりするといった課題が生じる。

本発明は、予熱された加工対象物の広い範囲から生じる熱輻射が、ノズルに悪影響を及ぼすことを抑制できる冷却装置及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、
レーザ加工装置のノズルとは別体に設けられかつ内部に冷媒を通す通路を有する冷却ジャケットを備え、
前記冷却ジャケットが前記ノズルの外側に配置されることで加工対象物から前記ノズルへ伝わる熱輻射が遮断される冷却装置である。

本発明のレーザ加工装置は、
レーザビームを照射するノズルと、
前記ノズルを支持する支持部と、
上記の冷却装置と、
を備え、
前記冷却ジャケットが前記支持部に支持されている構成を採用した。

本発明によれば、予熱された加工対象物の広い範囲から生じる熱輻射が、ノズルに悪影響を及ぼすことを抑制することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る冷却装置を示す分解斜視図である。 レーザ加工装置のノズルに冷却装置を装着した状態を示す一部破断の側面図である。 レーザ加工装置のノズルに冷却装置を装着した状態を下方から見た図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を示す構成図である。図１は、冷却装置２０の一部を破断して示している。図２は、本発明の実施形態に係る冷却装置を示す分解斜視図である。図３は、レーザ加工装置のノズルに冷却装置を装着した状態を示す一部破断の側面図である。図４は、レーザ加工装置のノズルに冷却装置を装着した状態を下方から見た図である。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１は、肉盛溶接を行う装置である。肉盛溶接とは、加工対象物６とは異なる種類の金属材料を加工対象物６の表面に溶接する加工である。レーザ加工装置１は、ノズル１１から金属材料の粉体とこの粉体を溶融する高エネルギー密度のレーザビームとを出射し、溶融した金属材料を加工対象物６の表面に結合させる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１は、ノズル１１、光学ユニット１５、搬送装置としてのロボットアーム１７、及び、ノズル１１とは別体の冷却ジャケット２１０を有する冷却装置２０を備える。

光学ユニット１５は、外部のレーザ光源から光ファイバー等を介して供給されるレーザ光を受け、このレーザ光をレンズに通して加工用のレーザビームを生成する。

ノズル１１は、光学ユニット１５に接続され、光学ユニット１５から送られるレーザビームを加工対象物６へ照射する。以下、レーザビームの照射方向を、下方として説明する。ノズル１１の内部にはレーザビームを上下に通す通路が設けられ、ノズル１１の下端にレーザビームの出射口を含んだ開口部１１１が設けられている。レーザビームを通す通路にはレンズ又はカバーガラス等が設けられていてもよい。

さらに、ノズル１１には、外部から噴射物としての金属粉体及びアシストガスを受ける複数の入力ポート１１２と、噴射物を加工対象物６へ向けて噴射する噴射口と、入力ポート１１２から噴射口まで噴射物を通す流路とを備える。入力ポート１１２は、ノズル１１の側部から外方へ突出して設けられ、金属粉体を供給する管Ｆ、及び、アシストガスを供給する管Ｆと接続される。噴射口は、レーザビームの出射口に隣接して設けられ、ノズル１１の下端部の開口部１１１に含まれる。

ノズル１１のうち、レーザビームを通す筒状体の内壁部から外周部までの部位、金属粉体及びアシストガスの流路を囲う壁部、及び、入力ポート１１２など、主な部分は金属から構成される。ノズル１１の下方先端部には、下方に進むほど径が小さくなるテーパー部１１４が設けられ、テーパー部１１４の先端に出射口及び噴射口を含む開口部１１１が設けられている。

ロボットアーム１７は、可動部１７２を介して接続された複数のアーム要素１７１と、可動部１７２の駆動装置と、複数のアーム要素１７１の先端部に設けられた支持部１７３とを有する。支持部１７３には、ノズル１１を接続した光学ユニット１５と、冷却装置２０とが固定されている。すなわち、支持部１７３は、光学ユニット１５を介してノズル１１を支持し、また、冷却装置２０を支持している。ロボットアーム１７は、可動部１７２を動かしてアーム要素１７１を変位させることで、ノズル１１の位置及び向きを加工位置に合わせて変えることができる。

冷却装置２０は、図２にも示すように、管体としての冷却管２０１とフレーム２０３とを含んだ冷却ジャケット２１０、及び、介在部２０５を有する。

冷却管２０１は、回転しながら回転面に垂直な方向へ移動しかつこの垂直な方向へ移動するごとに徐々に回転径が小さくなる三次元曲線に沿って、金属製（例えば銅製）の管体が巻回されて構成される。巻回された冷却管２０１が、下端から上端にかけて巻き径が大きくなるテーパーの角度は、ノズル１１のテーパー部１１４の角度と一致するが、互いに異なる角度であってもよい。巻回された冷却管２０１は、冷却液などの冷媒を流し、ノズル１１の側方に配置されて、加工対象物６から放射される熱輻射を遮断して、輻射熱がノズル１１に伝わるのを抑制する。具体的には、冷却管２０１が、ノズル１１と予熱された加工対象物６との間の空間を遮ることで加工対象物６からノズル１１へ直接に熱輻射が照射されることを抑止する。さらに、冷却管２０１が熱輻射を受けることで冷却管２０１に生じる熱が冷媒に吸収されて外部に排出される。このため、予熱された加工対象物６の熱輻射により、ノズル１１が加熱されることが抑制される。

図３及び図４にも示すように、冷却管２０１のうち最も巻き径が小さい先端部分の開口径は、ノズル１１から出射される金属粉体及びアシストガスを遮らない範囲で、ノズル１１の開口部１１１に近い径を有する。巻回されることで隣接する冷却管２０１の二つの区間は、互いに大きく離間しないように巻回される。これにより、図４に示すように、冷却管２０１を巻回面に垂直な方向から見たとき、中央の開口を除いて隙間が見えない。また、巻回面に垂直な方向から見たとき、ノズル１１の複数の入力ポート１１２の全てが、冷却管２０１に隠れる。また、図３に示すように、立体的に見て、冷却管２０１と複数の入力ポート１１２との間には隙間が生じるように、冷却管２０１は幅広に形成されている。

フレーム２０３は、金属製であり、剛性を有し、冷却管２０１の巻回方向に沿って延設された上フレーム２０３ａと、上フレーム２０３ａと交差する方向に延設された複数の縦フレーム２０３ｂと、を備える。縦フレーム２０３ｂは、図３に示すように、巻回された冷却管２０１の内周面に沿うように傾斜され、ロウ付け等により上フレーム２０３ａと接合されている。また、縦フレーム２０３ｂは、ロウ付け等により冷却管２０１の対向する各部に接合されている。これにより、巻回された冷却管２０１の形態が保持される。

また、フレーム２０３は、上フレーム２０３ａからその巻回面に垂直な方向に延設される支持フレーム２０３ｃと、支持フレーム２０３ｃに設けられた固定部２０３ｄと、を備える。図１に示すように、支持フレーム２０３ｃが固定部２０３ｄを介してロボットアーム１７の支持部１７３に連結されることで、冷却装置２０が支持される。

介在部２０５は、ノズル１１と冷却ジャケット２１０との間に介在されて、両者を互いに位置決めし、これらの間に断熱作用を及ぼす。介在部２０５は、例えば金属製（真鍮製等）であり、ノズル１１の先端側の一部と嵌合する環状の形態を有し、ノズル１１の先端側からノズル１１に嵌合することができる。介在部２０５の外周部は、フレーム２０３の縦フレーム２０３ｂにロウ付け等により接合されている。冷却管２０１、フレーム２０３及び介在部２０５が、共に金属製であることで、これらを低コストにかつ強固に接合することができる。

介在部２０５の内周部には、周方向に沿って配置されるコイルバネ２０５ａと、コイルバネ２０５ａを保持する環状溝２０５ｂとが設けられている。コイルバネ２０５ａの外周部がノズル１１に接触することで、ノズル１１と介在部２０５との相対的な位置（ノズル１１から出射されるレーザビームの光軸に垂直な方向における位置）が決まる。この相対的な位置において、介在部２０５の内側面とノズル１１の外側面との間には隙間ｇ１が生じる。また、ノズル１１の周囲に冷却ジャケット２１０を配置し、フレーム２０３を支持部１７３に連結する際、冷却ジャケット２１０の自重により、介在部２０５がノズル１１から鉛直方向に僅かに下降して固定される。これにより、鉛直方向を向いたノズル１１の外面と介在部２０５の内面との間にも隙間ｇ２が生じる。隙間ｇ１、ｇ２には空気が介在するため、これによりノズル１１と介在部２０５との間に高い断熱作用が得られる。また、介在部２０５とノズル１１との接触が、コイルバネ２０５ａを介した点接触に制限されるので、接触部を介した熱の伝動量も少なく制限できる。

なお、実施形態の冷却装置２０においては、冷却管２０１の巻回された部分が、下端から上端にかけて径が大きくなるようにテーパーを有する形態を示した。しかし、冷却管２０１の巻回された部分の上部において、このテーパーが無く、ノズル１１の途中の位置から先端部の高さにかけてテーパーを有する構成であってもよい。

＜冷却装置の装着と加工処理＞
冷却装置２０は、次のように装着される。先ず、作業員は、ノズル１１の先端側から冷却ジャケット２１０を被せ、介在部２０５をノズル１１の先端部に嵌合させる。次に、作業員は、フレーム２０３の固定部２０３ｄを支持部１７３に連結する。これにより、冷却装置２０の装着が完了する。

レーザ加工装置１の加工処理の際には、冷却管２０１に冷媒が流され、加工対象物６が高温に予熱される。加工対象物６からは広い範囲から強い熱輻射が発生するが、加工対象物６からノズル１１へ向かう熱輻射の大部分は冷却ジャケット２１０に照射され、冷却ジャケット２１０に輻射熱が伝わる。輻射熱は、冷媒に吸収されて外部へ排出される。加えて、介在部２０５の断熱機能により、冷却ジャケット２１０からノズル１１へ輻射熱が伝わることが抑制される。したがって、ノズル１１が高温になってレンズ又はカバーガラスに悪影響が生じることが防止され、ノズル１１側で制御される金属粉体又はアシストガスの温度制御に輻射熱が悪影響することが防止される。

加工対象物６の予熱温度、加工対象物６とノズル１１との距離が異なることで、冷却ジャケット２１０が受ける輻射熱量が異なるが、その場合でも、冷却ジャケット２１０の温度及び冷媒の温度が影響を受けるだけで、ノズル１１の温度への影響は抑制される。したがって、ノズル１１側で制御される金属粉体又はアシストガスの温度制御に輻射熱が悪影響することが防止される。

加工処理が開始されると、ノズル１１の入力ポート１１２へ金属粉体とアシストガスが供給され、これらがノズル１１の開口部１１１から加工対象物６へ吹き付けられる。さらに、ノズル１１の開口部１１１から加工対象物６へ高エネルギー密度のレーザビームが照射され、金属粉体が溶融されて加工対象物６の表面に結合する。加工対象物６が高温に予熱されていることで、結合しにくい組成同士であっても、加工対象物６と溶融した金属粉体とが強固に結合される。

以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置１及びその冷却装置２０によれば、ノズル１１とは別体に設けられた冷却ジャケット２１０がノズル１１の外側に配置されるので、予熱された加工対象物６の広い範囲から生じる熱輻射が、ノズル１１の外周部に照射されてノズル１１が高温になってしまうことを抑制できる。したがって、ノズル１１が高温になって内部のレンズ又はカバーガラスに悪影響が生じたり、ノズル１１から噴射するガス等の温度制御に悪影響が生じたりすることを防止できる。

また、本実施形態に係る冷却装置２０によれば、冷却ジャケット２１０とノズル１１との間に、これらの位置決めを行い、かつ、これらの間に断熱作用を及ぼす介在部２０５が設けられている。これにより、ノズル１１を移動させて加工を行う場合でも、ノズル１１と冷却ジャケット２１０との間の断熱を保ちつつ、冷却ジャケット２１０とノズル１１との正常な配置関係を保つことができる。さらに、先端形状の異なる複数種類のノズル１１がある場合、各種類のノズル１１の形状及び寸法に合わせた複数種類の介在部２０５を設けることで、１種類の冷却ジャケット２１０を流用して、複数種類のノズル１１に対応する冷却装置２０を製作できる。これにより、冷却装置２０のコストの低減を図れる。

また、本実施形態に係る冷却装置２０によれば、介在部２０５は、コイルバネ２０５ａの外周部がノズル１１に接触することで、ノズル１１を位置決めする。この構成により、ノズル１１への冷却ジャケット２１０の脱着が容易となり、かつ、介在部２０５の断熱作用を低減させない。

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１及び冷却装置２０によれば、冷却ジャケット２１０が冷却管２０１を巻回して構成されており、これにより低コストに高効率な輻射熱の遮断作用を得ることができる。また、ノズル１１の先端側にはテーパー部１１４が設けられ、さらに、冷却ジャケット２１０のノズル１１の先端部の近傍にもテーパーが設けられている。これにより、例えば、凹部の底面などに、加工対象箇所が設定されているような場合に、テーパーの部分を凹部内に挿入し、ノズル１１を加工対象箇所に近づけて加工を行うことができる。また、冷却ジャケット２１０とノズル１１のテーパー部１１４との間には隙間が設けられ、これにより冷却ジャケット２１０からノズル１１へ輻射熱が移動してしまうことを抑制できる。

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、ノズル１１に入力ポート１１２が設けられる一方、下方から見て、冷却ジャケット２１０が入力ポート１１２を隠す大きさを有する。さらに、冷却ジャケット２１０は、入力ポート１１２との間に隙間が生じる大きさを有する。したがって、入力ポート１１２が加工対象物６からの熱輻射に晒されてしまうことが回避され、輻射熱により入力ポート１１２に悪影響が生じることを抑制できる。

また、本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、冷却ジャケット２１０はノズル１１とは別の支持部１７３に支持されている。したがって、支持構造を伝って輻射熱がノズル１１へ伝わってしまうことも抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、ノズルから、レーザビーム、金属粉体及びアシストガスが出射されるレーザ加工装置に、本発明を適用した例を示した。しかし、本発明は、ノズルからレーザビームのみが出射されるレーザ加工装置に適用されてもよい。また、上記実施形態では、冷却ジャケット２１０として、巻回された冷却管２０１がフレーム２０３に固定された構成を示したが、ノズルの外側を囲う板材の内部に冷媒を流す流路が設けられた構成であってもよい。また、上記実施形態では、介在部にコイルバネを設け、コイルバネの外周部がノズルと接触する構成を示したが、コイルバネに替えて例えば断熱性の高いセラミック等の部材を適用してもよい。また、冷却ジャケット２１０の材質及び形状、ノズルを移動する搬送装置の構成など、上記の実施形態において具体的に示した細部等は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ レーザ加工装置
６ 加工対象物
１１ ノズル
１１１ 開口部
１１２ 入力ポート
１１４ テーパー部
１５ 光学ユニット
１７ ロボットアーム
１７３ 支持部
２０ 冷却装置
２０１ 冷却管
２０３ フレーム
２０３ａ 上フレーム
２０３ｂ 縦フレーム
２０３ｃ 支持フレーム
２０３ｄ 固定部
２０５ 介在部
ｇ１、ｇ２ 隙間
２０５ａ コイルバネ
２１０ 冷却ジャケット

Claims (8)

1. レーザ加工装置のノズルとは別体に設けられかつ内部に冷媒を通す通路を有する冷却ジャケットを備え、
   前記冷却ジャケットが前記ノズルの外側に配置されることで加工対象物から前記ノズルへ伝わる熱輻射を遮断する冷却装置。
2. 前記ノズルと前記冷却ジャケットとの間に配置され、前記冷却ジャケットの前記ノズルへの位置決めと、前記ノズルと前記冷却ジャケットとの間の断熱とを行う介在部を更に備える、
   請求項１記載の冷却装置。
3. 前記介在部は、コイルバネを含み、前記コイルバネの外周部が前記ノズルに接触するように構成されている、
   請求項２記載の冷却装置。
4. 前記冷却ジャケットは、冷媒を通す管体が巻回されて構成され、前記ノズルの外側に配置されたときに、前記ノズルの照射方向を高さ方向として、前記ノズルの途中の高さ位置から前記ノズルの先端の高さ位置に進むに従って前記管体の巻き径が小さくなる、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷却装置。
5. 前記冷却ジャケットが前記ノズルの外側に配置された状態で、前記ノズルの照射方向から見たとき、前記ノズルに噴射物が供給する入力ポートの全てが、前記冷却ジャケットに隠れる、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷却装置。
6. 前記冷却ジャケットが前記ノズルの外側に配置されたときに、前記ノズルに噴射物を供給する入力ポートと、前記冷却ジャケットとの間に隙間が生ずる、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記冷却ジャケットが前記ノズルの外側に配置されたときに、前記ノズルの先端のテーパー部と、前記冷却ジャケットとの間に隙間が生ずる、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の冷却装置。
8. レーザビームを照射するノズルと、
   前記ノズルを支持する支持部と、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の冷却装置と、
   を備え、
   前記冷却ジャケットは前記支持部に支持されている、
   レーザ加工装置。

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