JP3595511B2 - Laser processing head and laser processing apparatus provided with the same - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置に関し、例えばレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う場合などに適用して有用なものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば金属同士を接合する場合、溶接技術の一種としてレーザ溶接とアーク溶接とがある。レーザ溶接はCOレーザ発振器やYAGレーザ発振器を用いて行われる。なお、COレーザ光はミラー伝送しなければならないため、その調整に手間がかかるのに対し、YAGレーザ光は光ファイバによる伝送が可能であるため、YAGレーザ発振器を用いたレーザ溶接に対する期待が高まっている。一方、アーク溶接としては、MIG(GMA)溶接などのガスシールド消耗電極式アーク溶接や、TIG溶接などのガスシールド非消耗電極式アーク溶接などがある。
【0003】
そして、レーザ溶接では、レーザ光を光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うことができる一方、MIG溶接やTIG溶接などのアーク溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能である。このため、近年では開先裕度が高く且つ溶け込み深さの深い溶接を行うことなどを目的として、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う方法が研究されている。
【0004】
この場合、図示は省略するが、レーザ溶接ヘッドとMIG溶接ヘッドとが独立していると、ヘッド全体が非常に大型となり、しかも、溶接位置や溶接姿勢の変化に対応してレーザ溶接ヘッドとMIG溶接ヘッドの相対位置関係を常に一定に保持するのが面倒であり、特にロボットによる3次元加工には適さない。
【0005】
そこで、これらの問題点等を解決するため、図6に示すようなレーザ加工ヘッドを開発した。このレーザ加工ヘッドでは、光ファイバ11で伝送してきたレーザ光12を凸型ルーフミラー13と凹型ルーフミラー14とで反射して第1分割レーザ光12aと第2分割レーザ光12bとに2分割することにより、両者間に空間部17を形成し、これらの分割レーザ光12a,12bを集光光学系15で集光してワーク16に照射するようになっている。そして、図示しないワイヤ送り装置から送給されるMIG電極(フィラワイヤ)18を、分割レーザ光12a,12bの空間部17に挿入することにより、レーザ光12a,12bとMIG電極18とが同軸状になるようにしている。このレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光12a,12bとMIG電極18とが同軸状になっているため、面倒な相対位置関係の調節を必要とせず、ロボットによる3次元加工なども容易に行うことができる。
【0006】
また、レーザ光は切断にも用いられる。図7はレーザ切断を行う従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。この図7に示すレーザ加工ヘッドでは、集光光学系20によって集光されたレーザ光21の周囲を囲むようにテーパ状の切断ガスノズル22を設け、この切断ガスノズル22の先端開口部22aから切断ガス(アシストガス)24をワーク23の被切断部23aに噴射する構成となっている。このため、切断ガスの流速を増加させたり、切断ガス24を被切断部23a内に効率よく送り込むために切断ガスノズル22の先端開口部22aを細くしようとしても、レーザ光21と干渉してしまうため、限界があった。
【0007】
そこで、このような問題点等を解決するため、図示は省略するが、図7に示すように2分割された分割レーザ光12a,12bの空間部17に細管状の切断ガスノズルを挿入することにより、この切断ガスノズルとレーザ光12a,12bとが同軸状になるようにしたレーザ加工ヘッドの開発を行った。このレーザ加工ヘッドでは、細管状の切断ガスノズルから切断ガスを噴射しながら、分割レーザ光12a,12bを集光照射することにより、ワークの切断を行う。
【0008】
また、インプロセスモニタリングシステムとして、レーザ溶接やレーザ切断などにおける加工状況の監視などを行うためにCCDカメラやモニタリングファイバをレーザ加工ヘッドに設けることがある。この場合、従来は図8のような構成としていた。即ち、ワーク28における被加工部28aの画像抽出と発光抽出とを集光光学系24の光軸方向から(前記被加工部の真上から)行うことができるようにするため、即ち、同軸の画像を可視化するため、YAGレーザ光26を伝送する光ファイバ25をヘッドの側方に配置し、この光ファイバ25から集光光学系24の光軸に対して90°の方向にレーザ光26を出射し、このレーザ光26を45°に傾斜したミラー27で反射して集光光学系24へと導くように構成していた。
【0009】
ミラー27はYAGレーザ光26を全反射し、被加工部28aの発光などを透過するミラーである。そして、このミラー27の上方にミラー31、CCDカメラ29及びモニタリングファイバ(光ファイバ)30を配置している。ミラー31は可視光を反射し、赤外光などの特定波長の光を透過するミラーである。CCDカメラ29ではミラー27を透過しミラー31で反射して得られる被加工部28aの光(画像)をモニタ32へ伝送し、モニタ32では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ30ではミラー27,31を透過して得られる被加工部28aの発光を光電変換装置33へ伝送する。光電変換装置33では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ34へ伝送し、パーソナルコンピュータ34では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認をしたり、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の同軸レーザ加工ヘッドでは、一度レーザ光(レーザビーム)を分割し、その中央にアーク電極や切断ガスノズルなどを設置するため、レーザ光の収束のNA(開口数)を押さえるには物理的に限界があり(ビーム中央部に種々設置する故)、従来のレーザビーム単体の場合と同様の小NAの収束ビームを作り出すには、集光光学系のレンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドの大型化が避けられなかった。このため、十分な集光エネルギ密度が得られず、溶け込み能力を従来のレーザビーム単体のレーザ加工ヘッド並にあげることはできなかった。また、厚板切断に適する長焦点ヘッドの構成が難しかった。
【0011】
付言すると、レーザ光の焦点スポット径を小さくして高い集光エネルギ密度を確保しつつ長焦点化を図るには、レンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドが大型化してしまう。レーザ加工ヘッドが大型化すると、ヘッドとワークとの干渉が生じやすくなるため、特に、複雑形状のワークに対しては適用が難しくなる。一方、ヘッドの大型化を避けるために長焦点化が図れない場合には、厚板の切断が難しくなり、また、ヘッドがワークに近づくことにもなるため、スパッタによって光学系が損傷し易くなり、且つ、ワークと干渉し易くなることから、やはり複雑形状のワークへの適用が難しくなる。
【0012】
また、レーザ光12を分割するために凹凸のルーフミラー13,14を用いるため、光学系素子が増えて、損傷の可能性が増え、また、レーザ光の損失も招くことになる。
【0013】
また、分割レーザ光12a,12bの間にMIG電極18を配置する場合には、MIG電極18を屈曲させる必要があることから、ワイヤ送給抵抗が大きくなる。このため、図6に示すように送給ローラ19を用いた高価なプッシュプル装置を設けてMIG電極18の送給力を補わなければならなかった。分割レーザ光12a,12bの間に切断ガスノズルを配置する場合にも、やはり切断ガスノズルを屈曲させる必要があるため、圧力損失が大きくなり、切断ガス供給装置の送出圧力を高くする必要があった。
【0014】
また、図8に示すレーザ加工ヘッドの場合には側方からレーザ光26を入射させる構成であるため、ヘッドの大型化が避けさられなかった。しかも、ミラー27,31を用いることから、光学系素子が増えて損傷の可能性が増え、また、レーザ光26の損失やCCDカメラ29及びモニタリングファイバ30に入射する光の損失も招くことになる。
【0015】
従って、本発明は上記のような事情に鑑み、ミラーを要しない簡易な構成とし、ヘッドのコンパクト化、高集光性及び長焦点化が可能であり、また、アーク電極や切断ガスなどの供給が容易なレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置を提供することを課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第1発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、
半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、
前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【0017】
また、第2発明のレーザ加工ヘッドは、第1発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、MIG電極、TIG電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【0018】
また、第3発明のレーザ加工ヘッドは、第1又は第2発明のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とする。
【0019】
また、第4発明のレーザ加工ヘッドは、第1又は第2発明のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とする。
【0020】
また、第5発明のレーザ加工ヘッドは、第1,第2,第3又は第4発明のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するCCDカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とする。
【0021】
また、第6発明のレーザ加工装置は、第1,第2,第3,第4又は第5発明のレーザ加工ヘッドと、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、
前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【0023】
図1は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図、図2は前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図、図3は図2のA−A線矢視断面拡大図である。また、図4は各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図、図5はCCDカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図((a)は(b)のB−B線矢視断面拡大図)である。
【0024】
<構成>
図1に示すように、YAGレーザ発振器51から出力されたレーザ光(レーザビーム)52は、レーザ光伝送手段としての光ファイバ53により遠隔のレーザ加工ヘッド54まで伝送され、詳細は後述するが、このレーザ加工ヘッド54で集光されてワーク55へと照射される。同時に、加工手段としてのMIG(GMA)電極(フィラワイヤ)57が、ワイヤ送り装置56からレーザ加工ヘッド54へ送給され、溶接電源58からの印加電圧により、MIG電極57からワーク55へアーク放電74が行われる。
【0025】
レーザ加工ヘッド54はNC制御などによって駆動制御されるロボット等のヘッド移動装置59により、例えば3次元的に移動して位置決めされる。制御系60では、ヘッド移動装置59、YAGレーザ発振器51、ワイヤ送り装置56及び溶接電源58の制御を行う。例えば、レーザ加工ヘッド59の移動に応じてYAGレーザ発振器51からのレーザ光出力やMIG電極57からのアーク放電のタイミング制御などを行う。
【0026】
ここでレーザ加工ヘッド54の構成を図2及び図3に基づき詳細に説明する。図2に示すように、レーザ加工ヘッド54は、そのケース61内において図中の上から下へ順に光ファイバ53と、コリメート光学系62と、集光光学系63とが配設されている。なお、図中の64,65は保護ガラスである。
【0027】
コリメート光学系62は1枚又は複数枚(図示例では3枚)の小口径レンズ66を有しており、光ファイバ53の先端から出射されたレーザ光52を、レンズ66によって平行光にする。集光光学系63はコリメート光学系62のレンズ66よりも口径の大きな1枚又は複数枚(図示例では4枚)の半割れレンズ67を有しており、コリメート光学系62で平行にされたレーザ光52を、半割れレンズ67により集光してワーク55に照射する。
【0028】
半割れレンズ67は円形の大口径レンズを中央部で2分割して(レンズ中央で切断して2等分する場合に限らず、レンズ中央よりも少しずれた位置で切断して2等分よりも少し小さく或いは少し大きくしてもよい)、その一方の分割片を用いたものであり、コリメート光学系62を出たレーザ光52が全て入射するように配置されている。つまり、半割れレンズ67の光軸71の位置(半割れレンズ67の図中左端位置)を、コリメート光学系62の光軸72の位置(レンズ66の中央位置)に対して、これらの光軸71,72と直交する方向(図中左方向)へずらすことにより、コリメート光学系62のレンズ66から出たレーザ光52が全て集光光学系63の半割れレンズ67に入射して(半割れレンズ67を通過して)、集光されるようにしている。このときレーザ光52の焦点位置は、半割れレンズ67の光軸71上に位置するため、半割れレンズ67の図中左端に位置することになる。
【0029】
また、図3に示すように、半割れレンズ67は、図中に一点鎖線で示したレーザ光52の通過しない部分67a,67bが切断除去されて、実際には図中に実線で示す部分のみとなっており、非常にコンパクトである。従って、この半割れレンズ67を収容するケース61も非常にコンパクトになっている。
【0030】
そして、図2に示すように、半割れレンズ67の分割面67c側に案内管73が光軸71に沿うようにして固定されており、この案内管73にMIG電極57が挿通されている。即ち、ワイヤ送り装置56から送出されたMIG電極57は、レーザ加工ヘッド54において、半割れレンズ67の分割面67c側に半割れレンズ67の光軸71に沿うように設けられた状態となるため、従来のように屈曲してはおらず(図7参照)、ほぼ真直ぐな状態となる。
【0031】
また、このMIG電極57に代えて、図4に示す他の加工手段を半割れレンズ67の分割面67c側に配設するようにしてもよい。
【0032】
図4(a)では、加工手段としてのTIG(タングステン)電極81を、半割れレンズ67の分割面67c側に半割れレンズ67の光軸に沿って配設している。この場合には、溶接電源82からの印加電圧により、TIG電極81からワーク84の被溶接部へアーク放電83を行い、同時に、前記被溶接部へレーザ光52も照射して溶接を行う。
【0033】
図4(b)では、加工手段としてのフィラワイヤ91を、半割れレンズ67の分割面67c側に半割れレンズ67の光軸に沿って配設している。半割れレンズ67の分割面67c側には案内管93が前記光軸に沿うようにして固定されており、この案内管93にフィラワイヤ91が挿通されている。この場合には、ワイヤ送り装置92によってフィラワイヤ91をワーク94の被溶接部に供給しながら、レーザ光52を前記被溶接部に照射してレーザ溶接を行う。
【0034】
図4(c)では、加工手段としての細管状の切断ガスノズル101を、半割れレンズ67の分割面67側に半割れレンズ67の光軸に沿って配設している。この場合には、切断ガス供給装置102から送出される切断ガス(アシストガス)103を、切断ガスノズル101の先端からワーク103の被切断部へと噴射しながら、前記被切断部へレーザ光52を照射してレーザ切断を行う。また、この場合には、切断ガスノズル101として、図4(d)に示すように流路が一旦狭まった後に広がるような形状のノズル(ダイバージェントノズル)を採用することができる。ダイバージェントノズルとすることにより、切断ガス103は超音速となり、且つ、非常に細長いガス流動形状となるため、カーフ幅の狭い切断を高速で行うことができる。
【0035】
図4(e)では、加工手段としての粉末ノズル111を、半割れレンズ67の分割面67側に半割れレンズ67の光軸に沿って配設している。この場合には、粉末供給装置112から送出される金属粉末113を、粉末ノズル111の先端から吐出し、この金属粉末113にレーザ光52を照射して任意の3次元形状物114を成形する。
【0036】
また、インプロセスモニタリングシステムとして、CCDカメラ及びモニタリングファイバを設けた場合の構成を図5に基づいて説明する。図5に示すレーザ加工ヘッドでは、図2及び図3に示すレーザ加工ヘッドにおいて、更に、CCDカメラ121とモニタリングファイバ(光ファイバ)122とを、半割れレンズ67の分割面67c側に配設して、MIG電極57に並設している。このため、CCDカメラ121とモニタリングファイバ122では、半割れレンズ67の光軸方向から(ワーク55の被溶接部55aの真上から)、ミラーなどを介すことなく直接受光して、前記被溶接部55aの画像抽出と発光抽出とを行うことができるようになっている。
【0037】
なお、MIG電極57に限らず、図3に示すフィラワイヤ91や切断ガスノズル101などの他の加工手段を設ける場合にも、同様にCCDカメラ121やモニタリングファイバ122を半割れレンズ67の分割面67c側に配置することができる。
【0038】
CCDカメラ121では被加工部55aの可視光(画像)をモニタ123へ伝送し、モニタ123では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ122では被加工部55aの発光(赤外光などの特定波長の光)を、発光ダイオードなどを用いた光電変換装置124へ伝送する。光電変換装置124では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ125へ伝送し、パーソナルコンピュータ125では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認などをし、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【0039】
<作用・効果>
以上のように、本実施の形態のレーザ加工ヘッド54によれば、半割れレンズ67を有し、この半割れレンズ67の光軸位置をコリメート光学系62の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらすことにより、コリメート光学系62を出たレーザ光52が全て半割れレンズ67に入射するようにして、この半割れレンズ67によりレーザ光52をワークに集光照射するように構成するとともに、MIG電極57や切断ガスノズル101などの加工手段を半割れレンズ67の分割面67c側に半割れレンズ67の光軸に沿って配設したため、次のような作用・効果が得られる。
【0040】
即ち、MIG電極52や切断ガスノズル101などの加工手段とレーザ光52とが同軸状になるため、3次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のNAの制限を受けない高集光性と長焦点化(特に厚板切断に有効)が可能となる。しかも、本実施の形態ではレーザ光52が通過しない部分67a,67bを切断除去した半割れレンズ67を用いているため、単なる半割れレンズ(半円形状のレンズ)を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになっている。
【0041】
また、半割れレンズとして大口径のレンズは用いるものの、これを2分割(2等分又はそれよりも少し小さく切断)し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、1つのレンズで2組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【0042】
また、MIG電極57や切断ガスノズル102などの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッド54に設けることができるため、これらの供給が容易になり、MIG電極57を供給するために送給ローラ(プッシュプル装置)を設ける必要がなくて、従来のMIG溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置102の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【0043】
また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【0044】
また、細管状の切断ガスノズル101を設けてレーザ切断(穴あけも含む)を行うことができ、この場合にはレーザ光に制限されることなく切断ガスノズル101を所望の細さにして被切断部に効率良く切断ガス103を送り込むことができる。このため、切断速度の向上やカーフ幅の低減などを図ることができる。特に、切断ガスノズル101にダイバージェントノズルを採用した場合には、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質(カーフ幅など)が大幅に向上する。
【0045】
また、CCDカメラ121やモニタリングファイバ122を設ける場合には、これらを半割れレンズ67の分割面67c側に配置して光軸方向から(被加工部の真上から)、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光52を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光52の損失低減を図ることもできる。
【0046】
そして、上記のようなレーザ加工ヘッド54を備えたレーザ加工装置は、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【0047】
【発明の効果】
以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第1発明のレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、
半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、
前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【0048】
また、第2発明のレーザ加工ヘッドは、第1発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、MIG電極、TIG電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【0049】
従って、この第1又は第2発明のレーザ加工装置によれば、MIG電極や切断ガスノズルなどの加工手段とレーザ光とが同軸状になるため、3次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のNAの制限を受けない高集光性と長焦点化(特に厚板切断に有効)が可能となる。
【0050】
また、レンズを2分割し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、1つのレンズで2組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【0051】
また、MIG電極や切断ガスノズルなどの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッドに設けることができるため、これらの供給が容易になり、MIG電極を供給するために送給ローラ(プッシュプル装置)を設ける必要がなくて、従来のMIG溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【0052】
また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【0053】
また、第3発明のレーザ加工ヘッドによれば、第1又は第2発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであるため、単なる半割れレンズ(半円形状レンズ)を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになる。
【0054】
また、第4発明のレーザ加工ヘッドによれば、第1又は第2発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであるため、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質(カーフ幅など)が大幅に向上する。
【0055】
また、第5発明のレーザ加工ヘッドによれば、第1,第2,第3又は第4発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するCCDカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことにより、光軸方向から(被加工部の真上から)、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光の損失低減も図ることができる。
【0056】
また、第6発明のレーザ加工装置によれば、第1,第2,第3,第4又は第5発明のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことにより、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図2】前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図である。
【図3】図2のA−A線矢視断面拡大図である。
【図4】各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図5】CCDカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図6】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図7】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図8】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【符号の説明】
51 YAGレーザ発振器
52 レーザ光
53 光ファイバ
54 レーザ加工ヘッド
55 ワーク
56 ワイヤ送り装置
57 MIG電極
58 溶接電源
59 ヘッド移動装置
60 制御系
61 ケース
62 コリメート光学系
63 集光光学系
64,65 保護ガラス
66 レンズ
67 半割れレンズ
67a,67b レーザ光が通過しない部分(切断除去部分)
67c 分割面
71,72 光軸
73 案内管
74 アーク放電
81 TIG電極
82 溶接電源
83 アーク放電
84 ワーク
91 フィラワイヤ
92 ワイヤ送り装置
93 案内管
94 ワーク
101 切断ガスノズル
102 切断ガス供給装置
103 切断ガス
104 ワーク
111 粉末ノズル
112 粉末供給装置
113 金属粉末
114 3次元形状物
121 CCDカメラ
122 モニタリングファイバ
123 モニタ
124 光電変換装置
125 パーソナルコンピュータ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head and a laser processing apparatus including the laser processing head, and is useful when applied to, for example, laser welding and arc welding simultaneously.
[0002]
[Prior art]
For example, when joining metals together, there are laser welding and arc welding as a kind of welding technique. Laser welding is CO 2 This is performed using a laser oscillator or a YAG laser oscillator. CO 2 Since laser light must be mirror-transmitted, it takes time to adjust the laser beam. On the other hand, YAG laser light can be transmitted by an optical fiber, so that there is an increasing expectation for laser welding using a YAG laser oscillator. On the other hand, arc welding includes gas shield consumable electrode arc welding such as MIG (GMA) welding and gas shield non-consumable electrode arc welding such as TIG welding.
[0003]
In laser welding, laser light is collected by an optical device to obtain a high energy density, so that deep penetration welding can be performed in a narrow melting range, while arc welding such as MIG welding and TIG welding is possible. Since the arc spreads over a relatively wide range, welding with a wide bead width is possible, and welding with a high groove tolerance is possible. For this reason, in recent years, methods for simultaneously performing laser welding and arc welding have been studied for the purpose of performing welding with a high groove tolerance and a deep penetration depth.
[0004]
In this case, although not shown, if the laser welding head and the MIG welding head are independent, the entire head becomes very large, and the laser welding head and the MIG correspond to changes in the welding position and welding posture. It is troublesome to always keep the relative positional relationship of the welding heads constant, and is not particularly suitable for three-dimensional machining by a robot.
[0005]
In order to solve these problems and the like, a laser processing head as shown in FIG. 6 was developed. In this laser processing head, the laser beam 12 transmitted by the optical fiber 11 is reflected by the convex roof mirror 13 and the concave roof mirror 14 and divided into two parts, a first divided laser beam 12a and a second divided laser beam 12b. Thus, a space portion 17 is formed between the two, and the divided laser beams 12a and 12b are condensed by the condensing optical system 15 and irradiated onto the workpiece 16. Then, by inserting a MIG electrode (filler wire) 18 fed from a wire feeding device (not shown) into the space 17 of the divided laser beams 12a and 12b, the laser beams 12a and 12b and the MIG electrode 18 are coaxial. It is trying to become. According to this laser processing head, since the laser beams 12a and 12b and the MIG electrode 18 are coaxial, no complicated adjustment of the relative positional relationship is required, and three-dimensional processing by a robot can be easily performed. Can do.
[0006]
Laser light is also used for cutting. FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional laser processing head for performing laser cutting. In the laser processing head shown in FIG. 7, a tapered cutting gas nozzle 22 is provided so as to surround the periphery of the laser light 21 collected by the condensing optical system 20, and the cutting gas is supplied from the tip opening 22 a of the cutting gas nozzle 22. (Assist gas) 24 is jetted to the cut portion 23 a of the work 23. For this reason, even if it tries to increase the flow velocity of the cutting gas or to narrow the tip opening 22a of the cutting gas nozzle 22 in order to efficiently feed the cutting gas 24 into the cut portion 23a, it will interfere with the laser light 21. There was a limit.
[0007]
Therefore, in order to solve such problems and the like, although not shown, by inserting a thin tubular cutting gas nozzle into the space portion 17 of the divided laser beams 12a and 12b divided into two as shown in FIG. A laser processing head was developed in which the cutting gas nozzle and the laser beams 12a and 12b are coaxial. In this laser processing head, the workpiece is cut by condensing and irradiating the divided laser beams 12a and 12b while jetting a cutting gas from a thin tubular cutting gas nozzle.
[0008]
In addition, as an in-process monitoring system, a CCD camera or a monitoring fiber may be provided in the laser processing head in order to monitor a processing state in laser welding or laser cutting. In this case, the conventional configuration is as shown in FIG. That is, image extraction and light emission extraction of the workpiece 28a in the workpiece 28 can be performed from the optical axis direction of the condensing optical system 24 (from directly above the workpiece), that is, coaxially. In order to visualize the image, an optical fiber 25 for transmitting the YAG laser light 26 is disposed on the side of the head, and the laser light 26 is emitted from the optical fiber 25 in a direction of 90 ° with respect to the optical axis of the condensing optical system 24. The laser light 26 is emitted, reflected by a mirror 27 inclined at 45 °, and guided to the condensing optical system 24.
[0009]
The mirror 27 is a mirror that totally reflects the YAG laser beam 26 and transmits the light emitted from the processed portion 28a. A mirror 31, a CCD camera 29, and a monitoring fiber (optical fiber) 30 are arranged above the mirror 27. The mirror 31 is a mirror that reflects visible light and transmits light of a specific wavelength such as infrared light. In the CCD camera 29, the light (image) of the processed portion 28a obtained through the mirror 27 and reflected by the mirror 31 is transmitted to the monitor 32, and the monitor 32 projects the image on the screen for remote monitoring. In the monitoring fiber 30, the light emitted from the processed portion 28 a obtained through the mirrors 27 and 31 is transmitted to the photoelectric conversion device 33. The photoelectric conversion device 33 photoelectrically converts the light emission and transmits it to the personal computer 34, and the personal computer 34 analyzes the intensity distribution of the light emission photoelectrically converted to check the processing quality. For example, in the case of welding, the penetration depth is confirmed, and in the case of cutting, it is confirmed whether or not the cutting is surely performed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional coaxial laser processing head, since the laser beam (laser beam) is once divided and an arc electrode or a cutting gas nozzle is installed at the center thereof, the NA (numerical aperture) for converging the laser beam is suppressed. There is a physical limit (because it is installed in the center of the beam), and in order to produce a convergent beam with a small NA similar to the case of a conventional laser beam alone, it is necessary to increase the lens diameter of the condensing optical system Therefore, an increase in the size of the head was inevitable. For this reason, sufficient condensing energy density could not be obtained, and the penetration capability could not be increased to the same level as a conventional laser processing head with a single laser beam. In addition, it is difficult to construct a long focus head suitable for cutting thick plates.
[0011]
In other words, in order to increase the focal length while reducing the focal spot diameter of the laser beam to ensure a high condensing energy density, it is necessary to increase the lens diameter, resulting in an increase in the size of the head. When the laser processing head is increased in size, interference between the head and the workpiece is likely to occur, so that it is difficult to apply to a workpiece having a complicated shape. On the other hand, if long focus cannot be achieved in order to avoid an increase in the size of the head, it will be difficult to cut the thick plate, and the head will approach the workpiece, so that the optical system is easily damaged by sputtering. And since it becomes easy to interfere with a workpiece | work, the application to a workpiece | work of a complicated shape becomes difficult too.
[0012]
Further, since the concave and convex roof mirrors 13 and 14 are used to divide the laser beam 12, the number of optical system elements is increased, the possibility of damage is increased, and the loss of the laser beam is also caused.
[0013]
Further, when the MIG electrode 18 is disposed between the divided laser beams 12a and 12b, since the MIG electrode 18 needs to be bent, the wire feeding resistance is increased. For this reason, as shown in FIG. 6, an expensive push-pull device using the feeding roller 19 must be provided to supplement the feeding force of the MIG electrode 18. Even when the cutting gas nozzle is arranged between the divided laser beams 12a and 12b, it is necessary to bend the cutting gas nozzle, so that the pressure loss increases and the delivery pressure of the cutting gas supply device needs to be increased.
[0014]
Further, in the case of the laser processing head shown in FIG. 8, since the laser beam 26 is incident from the side, an increase in the size of the head cannot be avoided. In addition, since the mirrors 27 and 31 are used, the number of optical system elements increases and the possibility of damage increases, and the loss of the laser light 26 and the light incident on the CCD camera 29 and the monitoring fiber 30 are also caused. .
[0015]
Therefore, in view of the circumstances as described above, the present invention has a simple configuration that does not require a mirror, can achieve a compact head, high condensing property, and long focus, and can easily supply an arc electrode, a cutting gas, and the like. It is an object of the present invention to provide a simple laser processing head and a laser processing apparatus including the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The laser processing head of the first invention that solves the above-described problem includes a collimating optical system that collimates laser light,
A half-cracked lens, and the laser beam exiting the collimating optical system by shifting the optical axis position of the half-cracked lens in a direction perpendicular to the optical axis position of the collimating optical system is half A condensing optical system for converging and irradiating the laser beam on the workpiece with this half-cracked lens,
Processing means disposed along the optical axis of the half-cracked lens is provided on the split surface side of the half-cracked lens.
[0017]
The laser processing head of the second invention is the laser processing head of the first invention, wherein the processing means is a MIG electrode, a TIG electrode, a filler wire, a thin tubular cutting gas nozzle or a powder nozzle.
[0018]
The laser processing head of the third invention is the laser processing head of the first or second invention.
The half-cracked lens is obtained by cutting and removing a portion through which laser light does not pass.
[0019]
The laser processing head of the fourth invention is the laser processing head of the first or second invention.
The processing means is a thin tubular cutting gas nozzle, and the cutting gas nozzle is a divergent nozzle.
[0020]
The laser processing head of the fifth invention is the laser processing head of the first, second, third or fourth invention.
One or both of a CCD camera that images the processed part of the workpiece and transmits an image to a monitor, and a monitoring fiber that transmits light emitted from the processed part to a processing quality analysis unit, It is characterized by being arranged on the dividing surface side.
[0021]
The laser machining apparatus of the sixth invention comprises the laser machining head of the first, second, third, fourth or fifth invention,
A laser oscillator that outputs laser light;
Laser light transmission means for transmitting laser light output from the laser oscillator to the laser processing head;
Head moving means for moving and positioning the laser processing head is provided.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
1 is a system configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a laser processing head provided in the laser processing apparatus, and FIG. 3 is an AA line arrow in FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a laser processing head provided with various processing means, and FIG. 5 is a configuration diagram of a laser processing head provided with a CCD camera and a monitoring fiber ((a) is a BB line arrow in (b). FIG.
[0024]
<Configuration>
As shown in FIG. 1, a laser beam (laser beam) 52 output from a YAG laser oscillator 51 is transmitted to a remote laser processing head 54 through an optical fiber 53 as a laser beam transmission means. The laser processing head 54 collects the light and irradiates the work 55. At the same time, a MIG (GMA) electrode (filler wire) 57 as a processing means is fed from the wire feeder 56 to the laser machining head 54, and an arc discharge 74 from the MIG electrode 57 to the work 55 is applied by a voltage applied from the welding power source 58. Is done.
[0025]
The laser processing head 54 is moved and positioned, for example, three-dimensionally by a head moving device 59 such as a robot that is driven and controlled by NC control or the like. The control system 60 controls the head moving device 59, the YAG laser oscillator 51, the wire feeding device 56, and the welding power source 58. For example, the laser beam output from the YAG laser oscillator 51 and the arc discharge timing control from the MIG electrode 57 are performed according to the movement of the laser processing head 59.
[0026]
Here, the configuration of the laser processing head 54 will be described in detail with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the laser processing head 54 is provided with an optical fiber 53, a collimating optical system 62, and a condensing optical system 63 in the case 61 in order from the top to the bottom in the figure. In the figure, 64 and 65 are protective glasses.
[0027]
The collimating optical system 62 has one or a plurality of (three in the illustrated example) small-diameter lens 66, and the laser light 52 emitted from the tip of the optical fiber 53 is converted into parallel light by the lens 66. The condensing optical system 63 has one or a plurality of (four in the illustrated example) half-splitting lens 67 having a larger diameter than the lens 66 of the collimating optical system 62, and is made parallel by the collimating optical system 62. The laser beam 52 is condensed by a half-splitting lens 67 and irradiated onto the workpiece 55.
[0028]
The half-splitting lens 67 is obtained by dividing a circular large-diameter lens into two at the center (not only when cutting at the lens center and dividing into two equal parts, but at a position slightly shifted from the center of the lens and dividing into two equal parts. May be a little smaller or a little larger), and one of the divided pieces is used, and the laser light 52 emitted from the collimating optical system 62 is all incident. That is, the position of the optical axis 71 of the half-cracked lens 67 (the leftmost position in the figure of the half-cracked lens 67) is set to the optical axis 72 of the collimating optical system 62 (the center position of the lens 66). By shifting in a direction orthogonal to the left and right directions 71 and 72 (left direction in the figure), all the laser light 52 emitted from the lens 66 of the collimating optical system 62 is incident on the half-cracked lens 67 of the condensing optical system 63 (half-cracked) The light is collected through a lens 67. At this time, since the focal position of the laser beam 52 is located on the optical axis 71 of the half crack lens 67, it is located at the left end of the half crack lens 67 in the drawing.
[0029]
Further, as shown in FIG. 3, in the half-break lens 67, the portions 67a and 67b through which the laser beam 52 shown by a one-dot chain line does not pass are cut and removed, and actually only the portion shown by the solid line in the drawing. It is very compact. Therefore, the case 61 that accommodates the half crack lens 67 is also very compact.
[0030]
As shown in FIG. 2, a guide tube 73 is fixed along the optical axis 71 on the split surface 67 c side of the half-cracked lens 67, and the MIG electrode 57 is inserted through the guide tube 73. That is, since the MIG electrode 57 sent from the wire feeding device 56 is provided in the laser processing head 54 along the optical axis 71 of the half-cracked lens 67 on the split surface 67c side of the half-cracked lens 67. It is not bent as in the prior art (see FIG. 7), and is almost straight.
[0031]
Further, in place of the MIG electrode 57, other processing means shown in FIG. 4 may be arranged on the split surface 67c side of the half crack lens 67.
[0032]
In FIG. 4A, a TIG (tungsten) electrode 81 as a processing means is disposed on the split surface 67 c side of the half crack lens 67 along the optical axis of the half crack lens 67. In this case, the arc discharge 83 is performed from the TIG electrode 81 to the welded portion of the workpiece 84 by the applied voltage from the welding power source 82, and at the same time, the laser beam 52 is also irradiated to the welded portion to perform welding.
[0033]
In FIG. 4B, the filler wire 91 as a processing means is disposed on the split surface 67 c side of the half-cracked lens 67 along the optical axis of the half-cracked lens 67. A guide tube 93 is fixed along the optical axis to the split surface 67c side of the half crack lens 67, and a filler wire 91 is inserted through the guide tube 93. In this case, laser welding is performed by irradiating the welded portion with the laser beam 52 while supplying the filler wire 91 to the welded portion of the workpiece 94 by the wire feeder 92.
[0034]
In FIG. 4C, a thin tubular cutting gas nozzle 101 as a processing means is disposed on the split surface 67 side of the half crack lens 67 along the optical axis of the half crack lens 67. In this case, the cutting gas (assist gas) 103 delivered from the cutting gas supply device 102 is jetted from the tip of the cutting gas nozzle 101 to the cut portion of the work 103, and the laser beam 52 is applied to the cut portion. Irradiate to perform laser cutting. In this case, as the cutting gas nozzle 101, a nozzle (divergent nozzle) having such a shape that the flow path is once narrowed as shown in FIG. By using a divergent nozzle, the cutting gas 103 becomes supersonic and has a very elongated gas flow shape, so that cutting with a narrow kerf width can be performed at high speed.
[0035]
In FIG. 4 (e), the powder nozzle 111 as a processing means is disposed on the split surface 67 side of the half-cracked lens 67 along the optical axis of the half-cracked lens 67. In this case, the metal powder 113 delivered from the powder supply device 112 is discharged from the tip of the powder nozzle 111, and the metal powder 113 is irradiated with the laser light 52 to form an arbitrary three-dimensional shape 114.
[0036]
Further, a configuration when a CCD camera and a monitoring fiber are provided as an in-process monitoring system will be described with reference to FIG. In the laser processing head shown in FIG. 5, in the laser processing head shown in FIGS. 2 and 3, a CCD camera 121 and a monitoring fiber (optical fiber) 122 are further arranged on the split surface 67c side of the half-splitting lens 67. In parallel with the MIG electrode 57. Therefore, the CCD camera 121 and the monitoring fiber 122 receive light directly from the optical axis direction of the half-splitting lens 67 (from directly above the welded portion 55a of the workpiece 55) without passing through a mirror or the like, and Image extraction and light emission extraction of the unit 55a can be performed.
[0037]
Note that not only the MIG electrode 57 but also other processing means such as the filler wire 91 and the cutting gas nozzle 101 shown in FIG. 3 are provided, the CCD camera 121 and the monitoring fiber 122 are similarly connected to the split surface 67 c side of the half crack lens 67. Can be arranged.
[0038]
The CCD camera 121 transmits visible light (image) of the processed portion 55a to the monitor 123, and the monitor 123 displays the image on the screen for remote monitoring. The monitoring fiber 122 transmits light emitted from the processed portion 55a (light having a specific wavelength such as infrared light) to the photoelectric conversion device 124 using a light emitting diode or the like. The photoelectric conversion device 124 photoelectrically converts the light emission and transmits it to the personal computer 125, and the personal computer 125 analyzes the intensity distribution of the light emission photoelectrically converted to check the processing quality. For example, in the case of welding, the penetration depth is confirmed, and in the case of cutting, it is confirmed whether or not the cutting is surely performed.
[0039]
<Action and effect>
As described above, according to the laser processing head 54 of the present embodiment, the half-cracked lens 67 is provided, and the optical axis position of the half-cracked lens 67 is set to the optical axis position of the collimating optical system 62. By shifting in a direction perpendicular to the axis, all the laser light 52 emitted from the collimating optical system 62 is incident on the half-cracked lens 67, and the laser light 52 is condensed and irradiated onto the workpiece by the half-cracked lens 67. In addition, since the processing means such as the MIG electrode 57 and the cutting gas nozzle 101 are arranged on the dividing surface 67c side of the half crack lens 67 along the optical axis of the half crack lens 67, the following operations and effects are obtained. It is done.
[0040]
That is, since the laser beam 52 and the processing means such as the MIG electrode 52 and the cutting gas nozzle 101 are coaxial, it has the same function as a conventional coaxial laser processing head, such as being suitable for three-dimensional processing. It is possible to achieve compactness and high condensing performance and long focal length (especially effective for thick plate cutting) without being restricted by the convergence NA. In addition, in the present embodiment, since the half-cracked lens 67 obtained by cutting and removing the portions 67a and 67b through which the laser beam 52 does not pass is used, the head is further compared with the case where a simple half-cracked lens (semicircular lens) is used. Is compact.
[0041]
Further, although a large-diameter lens is used as a half-cracked lens, it can be divided into two parts (divided into two equal parts or a little smaller than that), and a laser processing head can be manufactured using only one of the divided pieces. Therefore, two sets of laser processing heads can be manufactured with one lens, and the cost can be reduced.
[0042]
Further, since the processing means such as the MIG electrode 57 and the cutting gas nozzle 102 can be provided in the laser processing head 54 without bending as in the prior art, the supply thereof becomes easy and the MIG electrode 57 is supplied. There is no need to provide a feed roller (push-pull device), a conventional MIG welding device can be used as it is, and it is not necessary to increase the delivery pressure of the cutting gas supply device 102.
[0043]
Further, since it is not necessary to use a mirror as in the conventional coaxial laser processing head, it is possible to reduce the number of optical elements and the loss of laser light.
[0044]
Further, it is possible to perform laser cutting (including drilling) by providing a thin tubular cutting gas nozzle 101. In this case, the cutting gas nozzle 101 is made to have a desired thickness and is not limited to the laser beam. The cutting gas 103 can be sent efficiently. For this reason, the cutting speed can be improved and the kerf width can be reduced. In particular, when a divergent nozzle is used as the cutting gas nozzle 101, the cutting gas can be made supersonic and a very elongated gas flow shape can be realized, so that the cutting speed and cutting quality (kerf width, etc.) can be improved. Greatly improved.
[0045]
Further, when the CCD camera 121 and the monitoring fiber 122 are provided, they are arranged on the split surface 67c side of the half-splitting lens 67 and are passed from the optical axis direction (from right above the processing portion) through a mirror or the like. In addition, since the light from the part to be processed can be received directly, the configuration is simplified, the loss of light is reduced, and image extraction and light emission extraction can be performed reliably. Further, it is not necessary to make the laser beam incident from the side and be reflected by the mirror as in the prior art, and the laser beam 52 can be incident in the optical axis direction, so the head becomes compact and the loss of the laser beam 52 is reduced. Can also be planned.
[0046]
The laser processing apparatus provided with the laser processing head 54 as described above is excellent in processing capability such as welding and cutting, and becomes a high-performance laser processing apparatus applicable to a workpiece having a complicated shape.
[0047]
【The invention's effect】
As described above in detail with the embodiment of the invention, according to the laser processing head of the first invention, the collimating optical system for collimating the laser light,
A half-cracked lens, and the laser beam exiting the collimating optical system by shifting the optical axis position of the half-cracked lens in a direction perpendicular to the optical axis position of the collimating optical system is half A condensing optical system for converging and irradiating the laser beam on the workpiece with this half-cracked lens,
Processing means disposed along the optical axis of the half-cracked lens is provided on the split surface side of the half-cracked lens.
[0048]
The laser processing head of the second invention is the laser processing head of the first invention, wherein the processing means is a MIG electrode, a TIG electrode, a filler wire, a thin tubular cutting gas nozzle or a powder nozzle.
[0049]
Therefore, according to the laser processing apparatus of the first or second invention, since the processing means such as the MIG electrode and the cutting gas nozzle and the laser beam are coaxial, the conventional coaxial laser processing head is suitable for three-dimensional processing. In addition, the head can be made compact and high condensing performance and long focal length (especially effective for cutting a thick plate) can be achieved without being restricted by the NA of convergence.
[0050]
Further, since the laser processing head can be manufactured by dividing the lens into two parts and using only one of the divided pieces, two sets of laser processing heads can be manufactured with one lens, thereby reducing the cost. be able to.
[0051]
Further, since processing means such as a MIG electrode and a cutting gas nozzle can be provided in the laser processing head without bending as in the prior art, it becomes easy to supply them, and a feeding roller ( There is no need to provide a push-pull device), and a conventional MIG welding device can be used as it is, and it is not necessary to increase the delivery pressure of the cutting gas supply device.
[0052]
Further, since it is not necessary to use a mirror as in the conventional coaxial laser processing head, it is possible to reduce the number of optical elements and the loss of laser light.
[0053]
According to the laser machining head of the third invention, in the laser machining head of the first or second invention, the half-cracked lens is obtained by cutting and removing a portion through which the laser beam does not pass. Compared with the case of using a (semicircular lens), the head is further compact.
[0054]
Further, according to the laser processing head of the fourth invention, in the laser processing head of the first or second invention, the processing means is a tubular cutting gas nozzle, and the cutting gas nozzle is a divergent nozzle. Since the cutting gas can be made supersonic and a very elongated gas flow shape can be realized, the cutting speed and cutting quality (kerf width, etc.) are greatly improved.
[0055]
Further, according to the laser processing head of the fifth invention, in the laser processing head of the first, second, third or fourth invention, a CCD camera for imaging the processed part of the workpiece and transmitting the image to the monitor By arranging one or both of the monitoring fibers for transmitting the light emission of the processed part to the processing quality analyzing means on the split surface side of the half-cracked lens, from the optical axis direction (of the processed part (From directly above) Since light from the workpiece can be received directly without going through a mirror, the configuration is simplified, light loss is reduced, and image extraction and light emission extraction are reliably performed. be able to. Further, unlike the prior art, it is not necessary to make the laser beam incident from the side and reflect it by the mirror, and the laser beam can be incident in the direction of the optical axis, so the head becomes compact and the loss of the laser beam is reduced. be able to.
[0056]
According to the laser processing apparatus of the sixth invention, the laser processing head of the first, second, third, fourth or fifth invention, the laser oscillator for outputting laser light, and the laser oscillator output By providing laser beam transmission means for transmitting laser light to the laser processing head and head moving means for moving and positioning the laser processing head, it has excellent processing capabilities such as welding and cutting, and has a complicated shape. It becomes a high-performance laser processing device applicable to workpieces.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a laser processing head provided in the laser processing apparatus.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2;
FIG. 4 is a configuration diagram of a laser processing head provided with various processing means.
FIG. 5 is a configuration diagram of a laser processing head including a CCD camera and a monitoring fiber.
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional laser processing head.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional laser processing head.
FIG. 8 is a configuration diagram of a conventional laser processing head.
[Explanation of symbols]
51 YAG laser oscillator
52 Laser light
53 Optical fiber
54 Laser processing head
55 work
56 Wire feeder
57 MIG electrode
58 Welding power source
59 Head moving device
60 Control system
61 cases
62 Collimating optics
63 Condensing optical system
64,65 protective glass
66 lenses
67 Half-splitting lens
67a, 67b Parts where laser light does not pass (cut and removed parts)
67c Dividing surface
71, 72 Optical axis
73 Guide tube
74 Arc discharge
81 TIG electrode
82 Welding power supply
83 Arc discharge
84 Workpiece
91 Filler Wire
92 Wire feeder
93 Guide tube
94 work
101 cutting gas nozzle
102 Cutting gas supply device
103 cutting gas
104 work
111 Powder nozzle
112 Powder feeder
113 Metal powder
114 Three-dimensional object
121 CCD camera
122 Monitoring fiber
123 monitor
124 photoelectric conversion device
125 personal computer

Claims (6)

レーザ光を平行にするコリメート光学系と、
半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、
前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
A collimating optical system that collimates the laser beam;
A half-cracked lens, and the laser beam exiting the collimating optical system by shifting the optical axis position of the half-cracked lens in a direction perpendicular to the optical axis position of the collimating optical system is half A condensing optical system for converging and irradiating the laser beam on the workpiece with this half-cracked lens,
A laser processing head, comprising processing means disposed along the optical axis of the half-cracked lens on a split surface side of the half-cracked lens.
請求項1に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
前記加工手段は、MIG電極、TIG電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In the laser processing head according to claim 1,
The laser processing head, wherein the processing means is a MIG electrode, a TIG electrode, a filler wire, a thin tubular cutting gas nozzle or a powder nozzle.
請求項1又は2に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In the laser processing head according to claim 1 or 2,
The laser processing head according to claim 1, wherein the half crack lens is obtained by cutting and removing a portion through which laser light does not pass.
請求項1又は2に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In the laser processing head according to claim 1 or 2,
The laser processing head according to claim 1, wherein the processing means is a thin tubular cutting gas nozzle, and the cutting gas nozzle is a divergent nozzle.
請求項1,2,3又は4に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するCCDカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
In the laser processing head according to claim 1, 2, 3, or 4,
One or both of a CCD camera that images the processed part of the workpiece and transmits an image to a monitor, and a monitoring fiber that transmits light emitted from the processed part to a processing quality analysis unit, A laser processing head, characterized in that it is arranged on the dividing surface side.
請求項1,2,3,4又は5に記載のレーザ加工ヘッドと、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、
前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
A laser processing head according to claim 1, 2, 3, 4 or 5,
A laser oscillator that outputs laser light;
Laser light transmission means for transmitting laser light output from the laser oscillator to the laser processing head;
A laser processing apparatus comprising: a head moving unit that moves and positions the laser processing head.
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