JP2022036420A - レーザノズル及びレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内周面にエネルギーの大きなレーザが当たっても溶損しにくいレーザノズル及びレーザノズルを用いたレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】レーザノズル１０Ａは、軸方向に沿ってレーザＬＡの内部通路ＯＰが形成され、基端開口部ＰＯから先端Ｔに向かって内径が小さくなるテーパ部１０Ｔと、略円筒形状であり、前記テーパ部１０Ｔの前記先端Ｔに設けられ、前記内部通路ＯＰを前記テーパ部１０Ｔの前記先端Ｔから先端開口部ＴＯまで延在させるストレート部１０Ｓと、を備え、少なくとも前記ストレート部１０Ｓの前記内部通路ＯＰの内周面Ｓに高反射加工部１０Ｒを有し、前記高反射加工部１０Ｒは銀を含む材料により形成され、前記内部通路ＯＰの内周面Ｓに施されたメッキであることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザノズル及びレーザ加工ヘッドに関する。

従来、加工対象物を溶接、切断、穴あけ又は熱処理するためのレーザ加工装置が知られている。レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの先端に設けられるレーザノズルは、使用時は加工対象物に近接し、加工対象物から反射したレーザが当たり高温となるため、高い冷却効率を持つように、熱伝導率の高い銅で形成されることが多い。

特許文献１には、切断面のＲ面取りを効率よく行う方法及びレーザ加工ヘッドについて記載されている。また、加工対象物から反射したレーザが当たり高温となることを抑制するために、ノズル等に反射率の高い金やニッケルクロムのメッキを施すことが記載されている。
特許文献２には、加工対象部からの溶融飛散物を付着しにくくしたレーザ加工トーチノズルについて記載されている。また、加工対象物から反射したレーザが当たり高温となっても溶融しないように、レーザ加工トーチノズルの外周とレーザ光の出口となる穴部の内周とを、耐熱性の優れたモリブデンでコーティングすることが記載されている。

特許第４８１２１７２号公報 特開平５－２２８６７５号公報

特許文献１に記載のレーザ加工ヘッド及び特許文献２に記載のレーザ加工トーチノズルにおいては、加工対象物から反射したレーザを想定してメッキやコーティングが行われている。これらには、レーザ加工ヘッドやレーザ加工トーチノズル先端のノズルの内周面にレーザが直接照射されることは想定されていない。
レーザノズルの内周面にレーザが直接照射され、溶損すると、レーザの媒質の気流を乱すなどして、加工性を悪化させる虞がある。
また、レーザノズルは、使用時は加工対象物に近接するため、レーザ加工装置の使用者が操作を誤るなどして、レーザノズルと加工対象物とが接触することがある。また、このような場合に加工対象物を損傷させないように、レーザノズルを、接触による力を逃がす方向に可動に取付けていることがある。特にこのような場合には、レーザノズルと加工対象物との接触により、レーザノズルが動くことによって、レーザノズルの先端の内周面が、レーザの照射線上に入ってしまい、エネルギーの大きなレーザが直接照射され、溶損してしまうことが考えられる。

上記事情を踏まえ、本発明は、内周面にエネルギーの大きなレーザが当たっても溶損しにくいレーザノズル及びレーザノズルを用いたレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。

本発明のレーザノズルは、軸方向に沿ってレーザの内部通路が形成され、基端開口部から先端に向かって内径が小さくなるテーパ部と、略円筒形状であり、前記テーパ部の前記先端に設けられ、前記内部通路を前記テーパ部の前記先端から先端開口部まで延在させるストレート部と、を備え、少なくとも前記ストレート部の前記内部通路の内周面に高反射加工部を有し、
前記高反射加工部は、銀を含む材料により形成され、前記内部通路の内周面に施されたメッキであることを特徴とする。

本発明のレーザノズル及びレーザノズルを用いたレーザ加工ヘッドは、内周面にエネルギーの大きなレーザが当たっても溶損しにくい。

本発明の一実施形態に係るレーザノズルを含むレーザ加工装置の概略構成の一例を説明する概念図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。 同レーザノズルを先端開口部から見た図である。 同レーザノズルを含むレーザ加工装置を用いた加工時のレーザ加工ヘッドまわりの断面図である。 同レーザノズルと加工対象物との接触時のレーザ加工ヘッドまわりの断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１から図５を参照しながら説明する。図１から図５において、互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸を定義し、各図に示す。ｘ軸は水平左右方向に、ｙ軸は水平前後方向に、ｚ軸は鉛直上下方向にそれぞれ対応する。
図１は、本実施形態に係るレーザノズル１０Ａを含むレーザ加工装置１００のシステム構成図である。レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１０と、レーザビーム照射部１１と、コリメートレンズ１３と、レーザ発振器２０と、アシストガス供給部３０と、サーボ制御部４０と、制御部５０と、を備える。

レーザ加工ヘッド１０は、レーザノズル１０Ａと、トーチ１０Ｂと、支持体１０Ｃと、接触検出器１０ＤＢ及び接触検出器１０ＤＣと、集光レンズ１４と、を備える。

トーチ１０Ｂは、略円筒形状であり、軸方向に形成された中空部分がレーザＬＡの内部通路ＯＰとなっている。また、図示しない基端が支持体１０Ｃに接続され、接続箇所を支点として回転可能となっている。トーチ１０Ｂは、トーチ先端ＴＴにはレーザノズル１０Ａが接続されている。

レーザノズル１０Ａは、銅を含む材料で形成され、テーパ部１０Ｔと、ストレート部１０Ｓと、を備える。

テーパ部１０Ｔは、軸方向に沿って中空部分が形成され、テーパ部基端ＴＰに形成された開口部（基端開口部ＰＯ）からテーパ部先端Ｔに向かって徐々に内径が小さくなっている。基端開口部ＰＯはトーチ先端ＴＴの中空部分と接続される。

ストレート部１０Ｓは、略円筒形状であり、ストレート部基端Ｐがテーパ部先端Ｔに接続される。ストレート部１０Ｓの先端には開口部（先端開口部ＴＯ）が形成されている。

テーパ部１０Ｔの中空部分がストレート部１０Ｓの中空部分と連通し、先端開口部ＴＯまで延在されており、基端開口部ＰＯから先端開口部ＴＯに向けてレーザＬＡが通過する内部通路ＯＰを形成している。レーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓは、反射率の高い材料である銀のメッキが施され、高反射加工部１０Ｒを形成している。

図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、高反射加工部１０Ｒは、テーパ部基端ＴＰからテーパ部先端Ｔに向かって徐々に内径が小さくなっているテーパ部１０Ｔの内周面Ｓ全体を覆っている。

図３は、レーザノズル１０Ａを、先端開口部ＴＯの側から見た図である。図３に示すように、高反射加工部１０Ｒは、先端開口部ＴＯの内周面Ｓ全体を覆っている。

次に、レーザ加工装置１００を使用して加工を行う方法について説明する。使用者は、制御部５０を用いて、レーザ発振器２０、アシストガス供給部３０及びサーボ制御部４０に指令を伝送し、各々を制御して、所望のレーザ加工を実行する。

レーザ発振器２０は、制御部５０から伝送された指令により、所定の出力のレーザを生成し、レーザビーム照射部１１に送出する。レーザビーム照射部１１は、レーザ発振器２０と接続している端と反対側の端までレーザを運搬し、コリメートレンズ１３にレーザを放射する。コリメートレンズ１３は、レーザビーム照射部１１から放射されたレーザの進行方向を、鉛直方向に修正し、レーザの進行方向においてレーザ加工ヘッド１０のよりも手前に設けられた集光レンズ１４に照射する。集光レンズ１４は、コリメートレンズ１３から照射されたレーザの進行方向を修正し、レーザ加工ヘッド１０のトーチ１０Ｂの内部通路ＯＰを通してレーザノズル１０Ａから放出し、加工対象箇所Ｈに収束させ、加工対象箇所Ｈを熱する。レーザの光路のうち集光レンズ１４から加工対象箇所Ｈまでの間には、保護ガラス１５が配置されている。保護ガラス１５は、加工時に加工対象から飛散するヒュームやスパッタから集光レンズ１４を保護するために配置されている。保護ガラス１５は、集光レンズ１４からのレーザを透過させる。

アシストガス供給部３０は、制御部５０から伝送された指令により、所定の圧力、流量及び濃度の酸素ガスや不活性ガスを、レーザ加工ヘッド１０を介して加工対象箇所に供給する。酸素ガスや不活性ガスは、切断加工時は溶融物を燃焼させたり、溶融物を吹き飛ばすため等に供給され、溶接加工時は接合箇所が酸化しないように不活性雰囲気をつくり出すため等に供給される。

サーボ制御部４０は、レーザ加工ヘッド１０の支持体１０Ｃと接続しており、制御部５０から伝送された指令により、支持体１０Ｃの鉛直方向の位置、及び水平方向の直交する２方向の位置を制御する。トーチ１０Ｂの回転軸は、支持体１０Ｃが移動可能な水平方向と同一平面内で直交する軸である。

図４は、制御部５０からサーボ制御部４０に指令を伝送し、レーザ加工ヘッド１０の支持体１０Ｃをｘ軸方向に送りながら穴あけ加工を行っている場合の、レーザ加工ヘッド１０付近の拡大を示す図である。この場合、レーザ加工ヘッド１０は、レーザノズル１０Ａを通してレーザＬＡを加工対象箇所Ｈに照射して溶融させ、図示しないアシストガスによって溶融物を燃焼させ、吹き飛ばして除去しながら、ｘ軸方向に送られる。

図５は、レーザ加工ヘッド１０のレーザノズル１０Ａと加工対象物Ｗとの接触時の、レーザ加工ヘッド１０付近の拡大を示す図である。レーザ加工ヘッド１０がｘ軸方向に送られながら加工を行っている時に、レーザノズル１０Ａと加工対象物Ｗの凸部Ｃとが接触した場合を想定している。

レーザ加工ヘッド１０のレーザノズル１０Ａと加工対象物Ｗとが接触すると、トーチ１０Ｂが支持体１０Ｃに回転可能に接続されていることにより、トーチ１０Ｂの外周面ＯＳと支持体１０Ｃの内周面ＩＳとが接触する。

トーチ１０Ｂの外周面ＯＳと支持体１０Ｃの内周面ＩＳとが接触すると、各々に設けられた接触検出器１０ＤＢと接触検出器１０ＤＣとが接触するようになっている。接触検出器１０ＤＢと接触検出器１０ＤＣとが接触すると、電気的に接続され、制御部５０に接触信号５２が伝送される。制御部５０は、接触信号５２を受け取ると、レーザ発振器２０、アシストガス供給部３０およびサーボ制御部４０を停止させる。

また、レーザノズル１０Ａと加工対象物Ｗとが接触すると、トーチ１０Ｂが支持体１０Ｃに対して回転することで、レーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面ＳがレーザＬＡの照射線上に入ってしまう場合がある。レーザＬＡがレーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓに照射される前にレーザ発振器２０を停止させることが好ましいが、レーザノズル１０Ａのストレート部１０Ｓの内径は、１ｍｍ（ミリメートル）程度であり、非常に小さい。そのため、レーザＬＡがレーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓに照射される前に、接触検出器１０ＤＢと接触検出器１０ＤＣとを接触させ、レーザ発振器２０を停止することは困難である。

したがって、レーザノズル１０Ａと加工対象物Ｗとが接触すると、接触検出器１０ＤＢと接触検出器１０ＤＣとが接触し制御部５０に接触信号５２が伝送されレーザ発振器２０を停止させるまでの間、レーザＬＡがレーザノズル１０Ａの高反射加工部１０Ｒに照射される。

以上のような構成をとり運用される本実施形態のレーザノズル１０Ａは、内部通路ＯＰの内周面Ｓに、反射率の高い材料である銀のメッキが施され、高反射加工部１０Ｒを形成していることにより、内周面ＳにレーザＬＡが直接照射されても溶損しにくい。

また、レーザ加工ヘッド１０のトーチ１０Ｂが支持体１０Ｃに対して回転可能に取付けられていることにより、トーチ先端ＴＴに設けられたレーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓに、レーザＬＡが直接照射される場合がある。しかし、レーザノズル１０Ａは、内部通路ＯＰの内周面Ｓに反射率の高い材料である銀による高反射加工部１０Ｒを形成していることにより、直接照射されたレーザＬＡのエネルギーの多くを反射し、溶損が抑制される。

なお、高反射加工部１０Ｒは、少なくともレーザノズル１０Ａのストレート部１０Ｓの内部通路ＯＰの内周面Ｓに有していればよい。

レーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓと高反射加工部１０Ｒとの間に、ニッケル等を用いて下地処理を施してもよい。
下地処理を施すことで、高反射加工部１０Ｒの表面粗さを小さくすることができる。高反射加工部１０Ｒの表面粗さが小さければ、加工によるヒュームやスパッタのメッキ層１０Ｐの表面への付着が抑制でき、付着したヒュームやスパッタがレーザを吸収することによりその箇所が溶損する事象を抑制できる。

レーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓに、メッキを施さず、スリーブを装着することにより、高反射加工部１０Ｒを設けてもよい。

レーザノズル１０Ａの内部通路ＯＰの内周面Ｓに、メッキを施さず、レーザノズル１０Ａ自体を銀で形成してもよい。

上記高反射加工部１０Ｒとなるメッキ及びスリーブ、並びにレーザノズル１０Ａを形成する材料はいずれも、純粋な銀でなく、銀を含む種々の材料でもよい。

本実施形態ではファイバーレーザによるレーザ加工装置について説明したが、ＣＯ_２レーザ等他の媒質を用いたレーザ加工装置についても適用できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

本発明のレーザノズルについて、実施例を用いてさらに説明する。本発明の技術的範囲は、実施例の内容によって何ら制限されない。

各実施例について、レーザノズルのテーパ部とストレート部との境界にレーザを照射し、レーザの出力と照射時間の条件を変え、各例が溶損する条件を評価した。なお、レーザの照射は、０．１ＭＰａのアシストガスを供給しながら行った。
表１は、一回のレーザ照射時間を１０ｍｓ（ミリ秒）で一定とし、レーザ出力を６から９ｋＷ（キロワット）の範囲で一回毎に１ｋＷずつ大きくしていき、レーザノズルが溶損するレーザ出力を評価した結果を示す。

表２は、レーザ出力を６ｋＷで一定とし、レーザ照射時間を１０ｍｓから２５０ｍｓの範囲で段階的に大きくしていき、レーザノズルが溶損するレーザ照射時間を評価した結果を示す。

表１、表２から、ニッケル下地も含めたメッキの厚みの増加につれてレーザ照射に対する耐久性も向上することが分かった。しかし、銀メッキ厚みが２０μｍ以上では耐久性は変わらないという結果だった。これはノズルの表面粗度と同じ傾向を示している。

１０ レーザ加工ヘッド
１０Ａ レーザノズル
１０Ｂ トーチ
１０ＤＢ 接触検出器
１０ＤＣ 接触検出器
１０Ｃ 支持体
１０Ｒ 高反射加工部
１０Ｓ ストレート部
１０Ｔ テーパ部
１１ レーザビーム照射部
１３ コリメートレンズ
１４ 集光レンズ
２０ レーザ発振器
３０ アシストガス供給部
４０ サーボ制御部
５０ 制御部
ＯＰ 内部通路
Ｐ ストレート部基端
ＰＯ 基端開口部
Ｔ 先端
ＴＯ 先端開口部
ＴＰ テーパ部基端
ＴＴ トーチ先端
Ｓ 内周面

Claims (3)

1. 軸方向に沿ってレーザの内部通路が形成され、基端開口部から先端に向かって内径が小さくなるテーパ部と、
   略円筒形状であり、前記テーパ部の前記先端に設けられ、前記内部通路を前記テーパ部の前記先端から先端開口部まで延在させるストレート部と、を備え、
   少なくとも前記ストレート部の前記内部通路の内周面に高反射加工部を有し、
   前記高反射加工部は、銀を含む材料により形成され、前記内部通路の内周面に施されたメッキである、
   レーザノズル。
2. 軸方向に沿ってレーザの内部通路が形成され、基端開口部から先端に向かって内径が小さくなるテーパ部と、
   略円筒形状であり、前記テーパ部の前記先端に設けられ、前記内部通路を前記テーパ部の前記先端から先端開口部まで延在させるストレート部と、を備え、
   少なくとも前記ストレート部が銀を含む材料により形成されている、
   レーザノズル。
3. 鉛直方向と水平方向とに位置制御される支持体と、
   略円筒形状であり、基端が前記支持体に接続され、軸方向にレーザの内部通路が形成されるトーチと、
   前記支持体の内周面と前記トーチの外周面との接触を検出する接触検出器と、を備え、
   前記トーチは前記基端を支点として回転可能に接続されており、
   前記回転の軸は、前記支点を通り前記水平方向と同一平面内で直交する軸であり、
   前記トーチの先端と請求項１又は２に記載のレーザノズルの基端開口部とが接続された、
   レーザ加工ヘッド。

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