JP2023163634A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、出射部へ付着するスパッタを低減することが可能なレーザ加工装置を提供することである。【解決手段】レーザ加工装置１００は、ワークＷに向けて第１方向にレーザビームＬを出射する出射部１と、レーザビームＬが通過する第１孔２２を有する第１アパーチャ２と、第１アパーチャ２の出射部１側においてレーザビームＬと交差する気体流Ｆを放出する放出部５と、ワークＷにおけるレーザビームＬの照射点Ｐから飛散するスパッタＳを捕集するための捕集部６と、を備える。放出部５は、第１方向から視て、レーザビームＬを挟んで捕集部６の反対側に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が知られている。例えば特許文献１には、レーザ光を集光してワークに照射する光学系を備えたレーザ加工装置が記載されている。この装置は、集光レンズ、レーザ光をワークに照射するノズル、アシストガス導入口等を有するトーチ部と、トーチ部の集光レンズとノズルの間に取り付けられるアパーチャとを備え、アパーチャの中央部にレーザ光を透過するセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなるレーザ光透過体を有する。

特開平５－３８５９４号公報

レーザ加工では、溶融金属の微粒子であるスパッタが飛散する。飛散したスパッタがレーザ加工装置の光学系に付着すると、付着したスパッタがレーザ光を吸収することで付着部の温度が上昇し、光学系に熱歪みが発生し得る。光学系に熱歪みが生じると、レーザ光の集光が阻害されたり、光学系が損傷したりするおそれがある。

特許文献１に記載のレーザ加工装置では、レーザ光が放射され切断加工によって飛散するワークの溶融粉末をアパーチャおよびレーザ光透過体に付着させて、集光レンズを保護する。しかし、この装置では、光透過体に付着したスパッタを取り除くなどのメンテナンスが煩雑であり、アパーチャの外周側から光学系に接近するスパッタを防ぐことが難しいという問題がある。

本発明の目的は、このような課題に鑑みてなされたもので、出射部へ付着するスパッタを低減することが可能なレーザ加工装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のレーザ加工装置は、ワークに向けて第１方向にレーザビームを出射する出射部と、レーザビームが通過する第１孔を有する第１アパーチャと、第１アパーチャの出射部側においてレーザビームと交差する気体流を放出する放出部と、ワークにおけるレーザビームの照射点から飛散するスパッタを捕集するための捕集部と、を備える。放出部は、第１方向から視て、レーザビームを挟んで捕集部の反対側に配置される。

本発明の別の態様もまた、レーザ加工装置である。この装置は、ワークにレーザビームを出射する出射部と、レーザビームが通過する第１孔を有する第１アパーチャと、レーザビームが通過する第２孔を有し第１アパーチャとワークの間に配置される第２アパーチャと、第１アパーチャの出射部側にレーザビームと交差する気体流を放出する放出部と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、出射部へ付着するスパッタを低減することが可能なレーザ加工装置を提供することができる。

実施形態に係るレーザ加工装置の側面視の模式図である。 図１のレーザ加工装置の平面視の模式図である。 図１のレーザ加工装置におけるスパッタの飛散軌跡を示す模式図である。

以下、本発明を好適な実施形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

［実施形態］
図面を参照して実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成を説明する。図１は、レーザ加工装置１００の側面視の模式図である。レーザ加工装置１００は、金属製の被加工物であるワークＷにレーザビームＬを照射して、ワークＷを加工する装置である。図１はレーザビームＬの光軸Ｌａに沿った縦断面を示している。レーザビームＬの光軸Ｌａに沿った方向を第１方向（図中で上下方向）という。第１方向で、ワークＷに接近する側（図中で下側）を「下」といい、その反対側（図中で上側）を「上」ということがある。このような方向の表記はレーザ加工装置１００の姿勢を制限するものではなく、レーザ加工装置１００は任意の姿勢で使用されうる。

レーザ加工装置１００は、伝送ファイバ１２と、出射部１と、第１アパーチャ２と、第２アパーチャ３と、第３アパーチャ４と、放出部５と、捕集部６と、ノズル７とを備える。実施形態におけるワークＷの加工は、ワークＷの溶接である。なお、ワークＷの加工は、穴あけや切断、表面処理等であってもよい。

伝送ファイバ１２は、外部のレーザ発振器（図示せず）と出射部１とを接続し、レーザ発振器で発生するレーザ光を出射部１に伝送する。レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザ発振器、ＣＯ２レーザ発振器、エキシマレーザ発振器等の公知のレーザ発振器を用いることができる。実施形態のレーザ加工装置１００では、一例として約１０００ｎｍの波長域の赤外線レーザ光が用いられる。

出射部１は、ワークＷに向けて第１方向にレーザビームＬを出射する機構であり、筐体１８と、反射ミラー１３と、第１レンズ１４と、第２レンズ１５と、保護ガラス１６と、を有する。筐体１８は、一端側に開口８２を有する有底筒状であり、開口８２がワークＷ側を向くように配置される。筐体１８の内部には、反射ミラー１３、第１レンズ１４および第２レンズ１５が収容される。反射ミラー１３、第１レンズ１４および第２レンズ１５は、筐体１８に支持される。開口８２には、保護ガラス１６が取り付けられる。

筐体１８の側面には伝送ファイバ１２が連結される。伝送ファイバ１２から出射部１に伝送されるレーザビームＬは、反射ミラー１３に照射される。反射ミラー１３は、レーザ発振器の出力波長の光を反射する部材である。反射ミラー１３は、伝送ファイバ１２から照射されるレーザビームＬを開口８２に向けて反射するように姿勢が定められる。反射ミラー１３と保護ガラス１６との間には、第１レンズ１４および第２レンズ１５が配置される。第１レンズ１４は、第２レンズ１５よりも反射ミラー１３側に配置され、第２レンズ１５は第１レンズ１４よりも保護ガラス１６側に配置される。

反射ミラー１３によって反射されたレーザビームＬは、第１レンズ１４に入射する。第１レンズ１４は、コリメートレンズであり、入射したレーザビームＬを平行光に変換して第２レンズ１５に向けて出射する。第２レンズ１５は、フォーカスレンズであり、入射したレーザビームＬを集光してワークＷに向けて出射する。第２レンズ１５から出射されたレーザビームＬは、保護ガラス１６を通過してワークＷに照射される。

レーザビームＬがワークＷの表面に照射されることで、レーザビームＬの照射点ＰにおいてワークＷを構成する金属が溶融する。また、ワークＷおよび出射部１の少なくとも一方は、移動機構（図示せず）により移動させることができる。移動機構の駆動によりワークＷおよび出射部１が相対的に変位することで、照射点Ｐが移動する。これにより、移動前の照射点Ｐにおいて溶融した金属が冷却して固化する。この結果、ワークＷが溶接される。

第１アパーチャ２は、レーザビームＬを通過させつつ、第２アパーチャ３を越えて出射部１に接近するスパッタＳを遮るために、出射部１とワークＷの間に配置される。第１アパーチャ２の形状に限定はないが、この例の第１アパーチャ２は、中央にレーザビームＬが通過する第１孔２２を有する円板部材である。この例では、第１アパーチャ２は、レーザビームＬの光軸Ｌａを囲む周方向に所定の間隔で配置される複数の支柱５２を介して、出射部１のワークＷ側に所定の間隔で取り付けられる。

第２アパーチャ３は、レーザビームＬを通過させつつ、第１アパーチャ２に接近するスパッタＳを遮るために、第１アパーチャ２とワークＷの間に配置される。第２アパーチャ３の形状に限定はないが、この例の第２アパーチャ３は、中央にレーザビームＬが通過する第２孔３２を有する円板部材である。この例では、第２アパーチャ３は、レーザビームＬの光軸Ｌａを囲む周方向に所定の間隔で配置される複数の支柱５３を介して、第１アパーチャ２のワークＷ側に所定の間隔で取り付けられる。

第３アパーチャ４は、レーザビームＬを通過させつつ、第２アパーチャ３に接近するスパッタＳを遮るために、第２アパーチャ３とワークＷの間に配置される。第３アパーチャ４の形状に限定はないが、この例の第３アパーチャ４は、中央にレーザビームＬが通過する第３孔４２を有する円板部材である。この例では、第３アパーチャ４は、レーザビームＬの光軸Ｌａを囲む周方向に所定の間隔で配置される複数の支柱５４を介して、第２アパーチャ３のワークＷ側に所定の間隔で取り付けられる。

ノズル７は、アルゴンや窒素等の不活性ガス（以下「シールドガスＧ」という）を照射点Ｐの周辺に吹きつけるためのノズルである。この例のノズル７は、レーザビームＬの光軸Ｌａと同軸の円筒状のシールドガスＧを吐出する同軸ノズルである。シールドガスＧは、レーザビームＬの入熱で溶融した箇所を吹きつけ、レーザビームＬの入熱で溶融した箇所の酸化による溶接強度の低下を抑制し、スパッタの飛散を抑制する。シールドガスＧは、アシストガスと称されることがある。

ノズル７は、中央にレーザビームＬの光軸Ｌａと同軸の出口開口７２を有するノズル本体７１と、出口開口７２を環囲する環状の開口であるガス出口７４と、ガス出口７４にシールドガスＧを供給するガス通路７５とを有する。ノズル本体７１は、全体としてワークＷに近づくにつれて小径になる略円錐台形状を有し、中央にワークＷに近づくにつれて小径になる中空部を有する。ノズル本体７１のワークＷ側の端部に出口開口７２が設けられ、反対側の端部に外周側に張出すフランジを有する。ガス通路７５は、ガス供給パイプ７６を通じて外部のガス供給装置（図示せず）からシールドガスＧの供給を受ける。この例では、ノズル７は、レーザビームＬの光軸Ｌａを囲む周方向に所定の間隔で配置される複数の支柱５５を介して、第３アパーチャ４のワークＷ側に所定の間隔で取り付けられる。

第１孔２２、第２孔３２、第３孔４２および出口開口７２（以下、「光通過孔」と総称する）を説明する。光通過孔の形状に制限はないが、この例の光通過孔は、レーザビームＬの光軸Ｌａと同軸な円形の貫通孔である。光通過孔がレーザビームＬの外径よりも小さいとレーザビームＬの一部が遮られるという問題があり、光通過孔が大きすぎるとスパッタＳが光通過孔を通り抜ける比率が高くなるという問題がある。このため、実施形態では、光通過孔は、レーザビームＬの外径に所定のマージンを加えた大きさを有する。つまり、光通過孔の内径はレーザビームＬの外径に対応している。

レーザビームＬの外径は、出射部１から照射点Ｐに近づくにつれて小さくなるため、光通過孔は、出射部１から照射点Ｐに近づくにつれて小さく形成される。具体的には、第２孔３２に内接する円の直径Ｄ３は、第１孔２２に内接する円の直径Ｄ２よりも小さく、第３孔４２に内接する円の直径Ｄ４は、第２孔３２に内接する円の直径Ｄ３よりも小さい。また、出口開口７２に内接する円の直径Ｄ７は、第３孔４２に内接する円の直径Ｄ４よりも小さい。

第１方向において、第１アパーチャ２と第２アパーチャ３の間の間隔Ｑ２３は、第２アパーチャ３と第３アパーチャ４の間の間隔Ｑ３４に対して異なっていてもよいが、この例では間隔Ｑ２３は、間隔Ｑ３４と等しい。

図２、図３も参照して、放出部５および捕集部６を説明する。図２は、レーザ加工装置１００の平面視の模式図であり、第１アパーチャ２、放出部５および捕集部６の配置を示す。図３は、スパッタＳの飛散軌跡を示す側面視の模式図である。

捕集部６は、ワークＷにおけるレーザビームＬの照射点Ｐから飛散したスパッタＳを捕集する。この例の捕集部６は、第１アパーチャ２、第２アパーチャ３、第３アパーチャ４またはノズル７の側部近傍に配置される集塵口６２を有する。集塵口６２は、照射点Ｐに向いて開口し、照射点Ｐの近傍の雰囲気をスパッタＳとともに吸引する。つまり、捕集部６は集塵ノズルとして機能する。捕集部６が雰囲気を吸引するため、第１アパーチャ２、第２アパーチャ３、第３アパーチャ４およびノズル７の近傍には、捕集部６の集塵口６２に向かう空気流（以下、「集塵流Ｒ」という）が形成される。

スパッタＳの一部は、集塵口６２から遠い方向にも飛散する。この方向に飛散したスパッタＳは、集塵流Ｒによって出射部１側に戻り、出射部１に到達することが考えられる。そこで、実施形態では、図２に示すように、放出部５は、第１方向から視て、レーザビームＬを挟んで捕集部６の反対側に配置される。

放出部５は、第１アパーチャ２の出射部１側においてレーザビームＬと交差する気体流Ｆを放出する。この例の放出部５は、圧縮空気を気体流ＦとしてレーザビームＬに向けて噴射するエアノズルとして機能する。気体流Ｆは、レーザビームＬの光軸Ｌａと直交してもよい。気体流Ｆは、放出部５から噴射された圧縮空気により周囲の大気を引き込み、高速で力のある空気のカーテンを形成するエアナイフである。

図２に示すように、気体流Ｆは、第１アパーチャ２の外側から飛来したスパッタＳ１と、第１孔２２を通過して第１アパーチャ２の出射部１側に飛来したスパッタＳ２を捕集部６側に吹き飛ばし、出射部１に到達するスパッタＳを減少させる。

この例では、気体流Ｆは、第１アパーチャ２の出射部１側の面に沿って流れるように放出部５が構成されている。このため、気体流Ｆの拡散が抑制され、スパッタＳを効率的に捕集部６側に吹き飛ばせる。また、気体流Ｆは、第１孔２２で主気体流Ｆ１と副気体流Ｆ２とに分流する。主気体流Ｆ１は、第１アパーチャ２の出射部１側の空間を流れ、副気体流Ｆ２は、第１孔２２を通過して第１アパーチャ２のワークＷ側の空間を流れる。

図３を参照して、実施形態におけるスパッタＳの飛散軌跡の一例を説明する。スパッタＳの一部Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５は、集塵口６２から遠い方向（図中左向き）に飛散した後、集塵流Ｒによって集塵口６２側に戻ってくる。これらのうちスパッタＳ３は、ノズル７の外周空間を通って第３アパーチャ４のワークＷ側に至り、ここで第３アパーチャ４に遮られ、第３アパーチャ４とノズル４の間の空間を通って捕集部６に捕集される。

スパッタＳ４は、第３アパーチャ４の外周空間を通って第２アパーチャ３のワークＷ側に至り、ここで第２アパーチャ３に遮られ、第２アパーチャ３と第３アパーチャ４の間の空間を通って捕集部６に捕集される。

スパッタＳ５は、第２アパーチャ３の外周空間を通って第１アパーチャ２のワークＷ側に至り、ここで第１アパーチャ２に遮られ、第１アパーチャ２と第２アパーチャ３の間の空間を通って捕集部６に捕集される。

スパッタＳの一部Ｓ６は、第３アパーチャ４の第３孔４２を通過し、第２アパーチャ２の第２孔３２近傍に飛散し、集塵流Ｒによって集塵口６２に吸引され、捕集部６に捕集される。スパッタＳの一部Ｓ７は、第３アパーチャ４の第３孔４２と、第２アパーチャ２の第２孔３２を通過し、第１アパーチャ２の第１孔２２近傍に飛散し、気体流Ｆから分流した副気体流Ｆ２によって捕集部６側に吹き飛ばされ、捕集部６に捕集される。

以上のように構成されたレーザ加工装置１００の特徴を説明する。レーザ加工装置１００は、ワークＷに向けて第１方向にレーザビームＬを出射する出射部１と、レーザビームＬが通過する第１孔２２を有する第１アパーチャ２と、第１アパーチャ２の出射部１側においてレーザビームＬと交差する気体流Ｆを放出する放出部５と、ワークＷにおけるレーザビームＬの照射点Ｐから飛散するスパッタＳを捕集するための捕集部６と、を備える。放出部５は、第１方向から視て、レーザビームＬを挟んで捕集部６の反対側に配置される。

この構成によれば、集塵流Ｒによって出射部１側に戻ったスパッタＳを気体流Ｆによって集塵口６２側に吹き飛ばせるため、出射部１に到達するスパッタＳを減らせる。この結果、出射部１の保護ガラス１６へ付着するスパッタＳを低減できる。

実施形態では、気体流Ｆは、第１アパーチャ２の出射部１側の面に沿って流れる。この場合、第１アパーチャ２によって、気体流Ｆの拡散が抑制され、スパッタＳを効率的に捕集部６側に吹き飛ばせる。また、第１孔２２を通過したスパッタＳを捕集部６側に吹き飛ばせる。このことによって、出射部１へ付着するスパッタＳをさらに低減できる。

実施形態は、レーザビームＬが通過する第２孔３２を有し第１アパーチャ２とワークＷの間に配置される第２アパーチャ３を備える。この場合、第１アパーチャ２に接近するスパッタＳを第２アパーチャ３によって遮ることができるため、出射部１へ付着するスパッタＳをさらに低減できる。

実施形態は、レーザビームＬが通過する第３孔４２を有し第２アパーチャ３とワークＷの間に配置される第３アパーチャ４を備える。この場合、第２アパーチャ３に接近するスパッタＳを第３アパーチャ４によって遮ることができるため、出射部１へ付着するスパッタＳをさらに低減できる。

実施形態では、第２孔３２に内接する円の直径Ｄ３は、第１孔２２に内接する円の直径Ｄ２よりも小さく、第３孔４２に内接する円の直径Ｄ４は、第２孔３２に内接する円の直径Ｄ３よりも小さい。この場合、第１孔２２、第２孔３２および第３孔４２を、これらの孔を通過するレーザビームＬの外径よりも大きくした場合でも、これらの孔径を小さくすることができるので、これらの孔を通過するスパッタＳを減らし、出射部１へ付着するスパッタＳをさらに低減できる。

実施形態では、第１方向において、第１アパーチャ２と第２アパーチャ３の間の間隔Ｑ２３は、第２アパーチャ３と第３アパーチャ４の間の間隔Ｑ３４と等しい。第２アパーチャ３が、第１アパーチャ２と第３アパーチャ４のいずれか一方に過度に接近する構成では、接近した２つのアパーチャが１つのアパーチャとして作用して全体としてスパッタＳを遮る効果が低下するおそれがあるところ、各アパーチャを等間隔に配置することにより、スパッタＳを遮る効果の低下を抑制できる。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明した。前述した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施形態の」「実施形態では」等との表記を付して説明しているが、そのような表記のない内容に設計変更が許容されないわけではない。また、図面に付したハッチングは、ハッチングを付した対象の材質を限定するものではない。

（変形例）
以下、変形例を説明する。変形例の図面および説明では、実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施形態と重複する説明を適宜省略し、実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

実施形態の説明では、アパーチャの数が３である例を示したが、本発明はこれに限定されず、アパーチャの数は１、２または４以上であってもよい。

実施形態の説明では、集塵口６２の上端が第１アパーチャ２に達する例を示したが、本発明はこれに限定されず、集塵口６２の上端は、第１アパーチャ２、第２アパーチャ３または第３アパーチャ４よりも下に位置してもよい。

実施形態の説明では、捕集部６の数が１である例を示したが、本発明はこれに限定されず、捕集部は複数設けられてもよい。

実施形態の説明では、放出部５の数が１である例を示したが、本発明はこれに限定されず、放出部は複数設けられてもよい。例えば、放出部５とは別に、第１アパーチャ２と第２アパーチャ３の間に気体流を放出する別の放出部が設けられてもよい

実施形態の説明では、第１アパーチャ２、第２アパーチャ３および第３アパーチャ４の外径が互いに同じである例を示したが、本発明はこれに限定されず、これらの外径は互いに異なっていてもよい。

実施形態の説明では、集塵口６２が、単なる開口である例を示したが、本発明はこれに限定されず、集塵口６２には編み目やグリル等が設けられてもよい。

これらの各変形例は、実施形態と同様の作用と効果を奏する。

上述した各実施形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる実施形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

１００ レーザ加工装置、 １ 出射部、 ２ 第１アパーチャ、 ３ 第２アパーチャ、 ４ 第３アパーチャ、 ５ 放出部、 ６ 捕集部、 ２２ 第１孔、 ３２ 第２孔、 ４２ 第３孔、 Ｌ レーザビーム、 Ｐ 照射点、 Ｓ スパッタ、 Ｗ ワーク。

Claims (7)

1. ワークに向けて第１方向にレーザビームを出射する出射部と、前記レーザビームが通過する第１孔を有する第１アパーチャと、前記第１アパーチャの前記出射部側において前記レーザビームと交差する気体流を放出する放出部と、前記ワークにおける前記レーザビームの照射点から飛散するスパッタを捕集するための捕集部と、を備え、前記放出部は、前記第１方向から視て、前記レーザビームを挟んで前記捕集部の反対側に配置されるレーザ加工装置。
2. 前記気体流は、前記第１アパーチャの前記出射部側の面に沿って流れる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記レーザビームが通過する第２孔を有し前記第１アパーチャと前記ワークの間に配置される第２アパーチャを備える請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザビームが通過する第３孔を有し前記第２アパーチャと前記ワークの間に配置される第３アパーチャを備える請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記第２孔に内接する円の直径は、前記第１孔に内接する円の直径よりも小さく、前記第３孔に内接する円の直径は、前記第２孔に内接する円の直径よりも小さい請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記第１方向において、前記第１アパーチャと前記第２アパーチャの間の間隔は、前記第２アパーチャと前記第３アパーチャの間の間隔と等しい請求項４または５に記載のレーザ加工装置。
7. ワークにレーザビームを出射する出射部と、前記レーザビームが通過する第１孔を有する第１アパーチャと、前記レーザビームが通過する第２孔を有し前記第１アパーチャと前記ワークの間に配置される第２アパーチャと、前記第１アパーチャの前記出射部側に前記レーザビームと交差する気体流を放出する放出部と、を備えるレーザ加工装置。

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