JP3740900B2 - レーザ加工トーチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をワークに照射することにより加工を行うレーザ加工トーチに関し、詳しくはレーザ加工トーチに用いられる透光部材（集光レンズ、保護ガラス等）表面への溶融飛散物の付着防止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工トーチは、トーチ本体内にレーザ発振器から出射したレーザ光を導き、そのレーザ光を透光部材を介してワーク表面に照射する。レーザ光がワークに照射されると、そのエネルギによりワークが溶け、その溶融物の一部が溶融飛散物として空気中に飛散する。飛散した溶融飛散物が透光部材（集光レンズ、集光レンズを保護する保護ガラスを備えた加工トーチにあっては保護ガラス）表面に付着すると、透光部材の損傷及びレーザエネルギの低下を招く。
このため従来から、透光部材表面への溶融飛散物の付着を防止するため、種々の技術が提案されている。
【０００３】
図７に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10内に集光レンズ22を収納し、また、トーチ本体10の表面に保護ガラス20が配設される。レーザ発振器から出射したレーザ光Ｌは、集光レンズ22により集光され、保護ガラス20を透過して加工点Ｋに照射される。
このレーザ加工トーチにおいては、保護ガラス20の側方に保護ガラス表面に空気Ａをブローする空気ブロー手段を設け、保護ガラス表面への溶融飛散物の付着を防止している。
しかしながら、図7に示す構成のレーザ加工トーチでは、保護ガラス20がトーチ本体10内に収納されずにトーチ本体10の表面に配設されているため保護ガラス20の表面を安定して均一にブローできないという問題があった。すなわち、レーザ加工トーチとワークの位置関係によっては、ブローした空気Ａがワークに当たって吹き返し（点線で示す流れ）が生じ、保護ガラス20表面をブローする空気の流れを乱すためである。
【０００４】
また、図8に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10に集光レンズ22を備える点については図7に示すものと同一であるが、図8に示すものではトーチ本体10にノズル部30を形成し、ノズル部30の内部空間33で保護ガラス20表面を空気Ａでブローすることとしている。
すなわち、保護ガラス20をトーチ本体10内に収納し、トーチ本体10の内部で保護ガラス20の表面をブローする。このため、図7に示すトーチで問題となったブローした空気のワークによる吹き返しという問題は発生ぜず、安定して保護ガラス20表面をブローすることができる。
しかしながら、図8に示すレーザ加工トーチでは、保護ガラス20表面を空気Ａでブローすると、このブローした空気によりノズル部30の開口部35から加工点Ｋに向かう空気流Ｂが形成される。この空気流Ｂが加工点Ｋの被溶融物を周囲に飛散させるという問題があった。
【０００５】
また、トーチ内に収納した透光部材の表面をブローした空気により形成される空気流が、トーチ先端から加工点Kに向かわないようにしたレーザ加工トーチとして、図9に示すレーザ加工トーチが知られている（特開平5-123886）。
図9に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10にノズル部30を設け、また、トーチ本体10内に集光レンズ22及び保護ガラス20を収納する点は図8に示すものと同一である。
図9に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10側壁に、集光レンズ22と保護ガラス20の間の内部空間15に空気を吹き込むための吹込み孔11が設けられる。また、保護ガラス20の側面部分で、トーチ本体10の内壁の一部に、内部空間15とノズル部30の内部空間33とを連通する連通孔13が形成される。さらに、ノズル部30の側壁には、内部空間33の空気を外部に吸引するための吸引孔31が形成される。吸引孔31には、吸引装置（図示省略）が取り付けられている。
このような構成のレーザ加工トーチにおいては、吹込み孔11から内部空間15内に空気Ａが吹込まれると、この吹込まれた空気は連通孔13を通って、保護ガラス20表面をブローする。保護ガラス20表面をブローした空気は、吸引装置により吸引孔31からノズル部30の外側に吸引される。したがって、保護ガラス20をブローする空気によって、開口部35から加工点Ｋに向かう空気流が形成されない。
しかしながら、図９に示すレーザ加工トーチでは、吸引孔31に取付けた吸引装置を作動させると、ノズル部30の内部空間33が負圧となるため、ノズル部30の外側の溶融飛散物を含んだ空気をもノズル部30内に吸引することとなり、ノズル部30の内側に溶融飛散物が付着するという問題が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、トーチ本体に収納した透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内部に溶融飛散物を含んだ空気を吸引することなく、透光部材をブローした後の空気流が加工点に向かわないようにすることができるレーザ加工トーチを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題は、請求項1に記載のレーザ加工トーチにより達成することができる。
すなわち、請求項1に記載したレーザ加工トーチは、開口部が形成されたトーチ本体と、該トーチ本体に収納された透光部材とを備え、前記透光部材を介して前記開口部からワーク表面上の加工点にレーザ光を照射するレーザ加工トーチであって、前記開口部と前記透光部材の間に配設された第１の空気ブロー手段と、前記第１の空気ブロー手段により形成される前記開口部から流れでる空気流に対して、その側方より空気をブローする第２の空気ブロー手段とを有する。
ここで、前記第１の空気ブロー手段は、前記透光部材の中心を通る中心線に対して線対称となる位置関係に配置された１対の空気吹出し口を複数有している。そして、各空気吹出し口から吹出される空気は、その空気吹出し口と線対称となる空気吹出し口に向かって前記透光部材の表面をブローし、かつ、線対称となる１対の空気吹出し口の一方から吹出される空気の流速が他方から吹出される空気の流速と異なることを特徴とする。
かかる構成を有するレーザ加工トーチでは、第１の空気ブロー手段により形成される開口部から流れ出る空気流と、第２の空気ブロー手段からブローされる空気流とが衝突するため、第1の空気ブロー手段により形成される空気流の向きが変えられる。
したがって、トーチ本体に収納された透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内にトーチ外部の空気を吸引することなく、透光部材をブローすることにより形成される空気流を加工点に向かわないようにすることができる。
また、第１の空気ブロー手段の空気吹出し口は、透光部材の中心を通る中心線に対して線対称となる位置関係に配置されており、線対称となる１対の空気吹出し口の一方から吹き出された空気は他方から吹出された空気と衝突するようになっている。そして、線対称となっている１対の空気吹出し口の一方から吹出される空気の流速は他方から吹出される空気の流速と異なるため、両者は透光部材の中心線からずれた位置で衝突する。このため、透光部材の中心部に流れが淀む箇所ができにくくなり、透光部材への溶融飛散物の付着を抑制することができる。
【０００８】
ここで、「透光部材」とは、集光レンズや保護ガラス等のレーザ光を透過することができる全ての部材をいい、レーザ加工トーチに配設された状態で飛散する溶融飛散物が付着する可能性がある部材を意味する。
また、「加工点」とは、レーザ光が照射され、そのエネルギによりワーク等が溶けて被溶融物が生じている場所を意味する。
また、「空気流に対して、側方より」とは、空気流に対して垂直な方向には限られず、空気流の流れの向きが変えられる方向であればどのような方向であっても良い。
【０００９】
上記レーザ加工トーチにおいては、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を適切に調整することにより、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段によって形成される空気流による加工点の被溶融物の飛散を有効に防止することができる。
【００１０】
ここで、上記構成を有するレーザ加工トーチで、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となる調整方法を、図5を用いて説明する。図5中、ワークをＷ、トーチ本体をＮ、加工点（レーザの照射位置）をＫで示す。また、図５では、トーチ本体Ｎの長手方向をｙ方向、垂直な方向をｘ方向とする。
まず、上記構成を有するレーザ加工トーチで、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1を決定する。第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1が決まれば、第1の空気ブロー手段をこの条件で作動させたときに発生する開口部から流れ出る空気流Aの流速（運動量）等が決まる。
空気流Aの流速等が決まれば、この空気流Aが加工点Kから所定の距離ｓだけ離れた位置PでワークＷに衝突するように、第2の空気ブロー手段のブロー位置（r，l）、ブロー方向θ及び空気流量Q2を決定することができる。
ここで、「ブロー位置」とは、各空気ブロー手段の配置される位置をいい、第２のブロー手段では、図5で示すようにトーチ本体Nの開口部中心からｘ方向の距離ｒと、トーチ本体Ｎの先端からの距離ｌで表すことができる。
また、「ブロー方向」θとは、各空気ブロー手段から吐出される空気流の方向をいい、第２の空気ブロー手段では空気流Ｂの方向をいい、図5のθで表される。また、「所定の距離」ｓとは、空気流Ａと空気流Ｂによって形成される空気流によって、加工点Kの被溶融物を飛散させないような距離をいう。
【００１１】
具体的には、第２の空気ブロー手段のブロー位置(ｒ，ｌ)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとして変えながら、コンピュータを利用して流れの運動方程式を解くことにより、空気流Aが点Pでワークと衝突するようなブロー方向θ、ブロー位置(r，l)、空気流量Q2を決めることができる。また、第1の空気ブロー手段を前記決定した条件で作動させながら、第2の空気ブロー手段のブロー位置(ｒ，ｌ)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとして変えながら実際に実験を行い、加工点の被溶融物の飛散状態からブロー方向θ、ブロー位置(r，l)、空気流量Q2を決めても良い。
このように、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1が決まれば、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決めることができる。
【００１２】
すなわち、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量に、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段とが調整されたレーザ加工トーチが、請求項2に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項２に記載したレーザ加工トーチでは、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている。
【００１３】
したがって、請求項２に記載されたレーザ加工トーチによれば、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段により形成される空気流が、所定の距離ｓだけ離れた位置でワークＷに当るため、加工点Kの被溶融物の飛散を少なくすることができる。
【００１４】
また、第1と第2の空気ブロー手段を、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量となるような調節手段を備えたのが請求項３に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項３に記載のレーザ加工トーチでは、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第1の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流が、ワーク表面に衝突する位置を前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段を有している。
【００１５】
請求項2又は３に記載したレーザ加工トーチでは、第2の空気ブロー手段の目的は第１の空気ブロー手段により形成される空気流の流れの向きを変えることが主目的であった。しかしながら、第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を調整することで、より積極的に加工点Kから飛散する溶融飛散物のトーチ本体内への侵入を防止することができる。
【００１６】
ここで、請求項1に記載されたレーザ加工トーチにおいて、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流により、加工点Kから飛散する溶融飛散物のトーチ本体内への侵入を防止する調整方法を、図６を用いて説明する。なお、図5と同じ部分には同一の符号を付す。
すなわち、図6の点線で示す軌跡を描いて飛散する溶融飛散物（質量ｍ、速度ｖ）が、図6に示す一点鎖線に示す軌跡となるように、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決定する。
具体的には、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとしてその値を変えながら、コンピュータを利用し溶融飛散物の運動方程式を解くことにより、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1、及び第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決めれば良い。また、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとしてその値を変えながら実験を行い、加工点からの溶融飛散物の状態を観察することにより決めても良い。
【００１７】
この際、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段を上記決定した条件で作動させた時に、第１の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段により形成される空気流AがワークW表面と衝突する位置を、加工点Kから所定距離だけ離れた位置となるようにする必要がある。
【００１８】
このように決定された各ブロー位置、各ブロー方向及び各空気流量に、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段が調整されたレーザ加工トーチが請求項４に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項4に記載したレーザ加工トーチは、請求項2に記載されたトーチにおいて、ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている。
したがって、請求項4に記載したレーザ加工トーチでは、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段により形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、レーザ光の照射位置から所定の距離ｓだけ離れた位置とすることができ、さらに、加工点Kから飛散する溶融飛散物がトーチ本体Nの開口部からトーチ本体N内部に侵入することを防止することができる。
【００１９】
また、第1と第2の空気ブロー手段を、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量となるような調節手段を備えたのが請求項５に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項５に記載のレーザ加工トーチは、請求項１に記載のレーザ加工トーチにおいて、ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第２の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第２の空気ブロー手段により形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段とを有する。
【００２０】
なお、上述した請求項２又は４に記載されたレーザ加工トーチを最も簡易に実施するレーザ加工トーチとしては、第1の空気ブロー手段のブロー位置とブロー方向、及び第2の空気ブロー手段のブロー位置とブロー方向を固定することである。
このため、請求項２又は４に記載のレーザ加工トーチでは、第1の空気ブロー手段の空気流量と、第2の空気ブロー手段の空気流量のみを調整すれば良い。
【００２１】
なお、本発明のレーザ加工トーチは種々の用途に実施することができるが、特にレーザ溶接用のトーチとして実施する場合には、トーチ本体の開口部からの空気流により加工点の被溶融物を飛散させないので有効である。
また、近年装置の小型化の要請から、レーザ溶接トーチのレーザ発振器として、CO２レーザ（焦点距離：約30cm）に代わって焦点距離の短いYAGレーザ（焦点距離：約10cm）を使用する場合がある。
この場合には、焦点距離が短くなる分だけトーチと加工点との距離が短くなり溶融飛散物の透光部材への付着が問題となる。したがって、レーザ発振器にYAGレーザを使用した場合に、本発明は特に有効である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明をレーザ溶接トーチに適用した一実施の形態について図1乃至図4を用いて説明する。ここで、図1は本実施の形態に係るレーザ溶接トーチの全体構成を示す図面であり、図2はトーチボディの構造を説明するための図面であり、図3はトーチボディに取り付けられるノズルの構造を説明するための図面であり、図4はトーチボディに取り付けられるローラスティの構造を説明するための図面である。
【００２３】
図1に示すように、本実施の形態のレーザ溶接トーチは、トーチボディ10と、トーチボディ10の先端に取り付けられるノズル30と、トーチボディ10にローラスティ取付ブラケット50を介して取付けられるローラスティ40とを備える。ノズル30及びローラスティ40は、流量調節バルブ（図示省略）を介して空気供給源に連結され、空気供給源から所定流量の空気が供給されるようになっている。
【００２４】
トーチボディ10の構造について、図2を用いて説明する。トーチボディ10は、ファイバ取付部11aと、ファイバ取付部11aにボルト（図示省略）により固定されるレンズ保持部11bを主として構成される。
ファイバ取付部11aは、内部が空洞になった中空構造を有し、一端に光ファイバ12が取付けられ、他端にレンズ保持部11bが取付けられるようになっている。光ファイバ12は、図示省略したレーザ発振器（YAGレーザ）に接続され、レーザ発振器で発生されたレーザ光をトーチボディに導く。
ファイバ取付部11aの他端に取付けられるレンズ保持部11bは、その内部に反射ミラー24が保持されると共に、反射ミラー24の上方に2枚の集光レンズ22a、22bが保持されている。集光レンズ22a、22bは2枚の凸レンズからなり、お互いに凸面が向き合うように配置されている。また、光ファイバ12の先端面12aと反射ミラー24・集光レンズ22a、22bの位置関係は、光ファイバ12からトーチボディ10内に導かれたレーザ光Ｌが、反射ミラー24で反射され、反射されたレーザ光Ｌが集光レンズ22a、22bにより所定の位置で焦点を結ぶよう、その位置関係が調整されている。
また、レンズ保持部11bには、集光レンズ22a、22bを溶融飛散物等から保護するための保護部材26が着脱可能に取付けられている。保護部材26は、保護ガラス21aを保持する保護ガラス保持部20aと、保護ガラス21ｂを保持する保護ガラス保持部20ｂとで構成される。
本実施の形態のレーザ溶接トーチでは、集光レンズ22a、22bを保護する保護部材として、2枚の保護ガラス21a、21bを使用することにより、1枚の保護ガラス21aが何らかの原因で損傷しても、もう一枚の保護ガラス21bにより集光レンズ22a、22bを保護することとしている。
また、保護ガラス21a、21bを直接レンズ保持部11bに固定するのではなく、レンズ保持部11bに着脱可能な保護ガラス保持部20a、20bに保持させることにより、保護ガラス21a、21bの交換を容易に行なうことができる。
【００２５】
上述した保護ガラス保持部20aには、図3に示すノズル30が着脱可能に取付けられる。
ノズル30は、図3に示すように、略円筒状を有し、保護ガラス21a表面をブローする空気が導かれる環状部34と、環状部34からテーパ状に形成されたテーパ部32を有する。
環状部34には、空気取入れ口37が形成されると共に、空気取入れ口37から取入れた空気が流れる空気流路36が形成される。空気流路36は、環状部34の全周に渡って環状の空気流路を形成し、その流路上の6箇所に空気吹出し口38が設けられている（図3（b）参照）。空気吹出し口38の形状は、空気吹出し口38から吹出される空気が保護ガラス21a表面を図3（b）の矢印で示す向きにブローするように調整されている。
このように、本実施の形態では、ノズル30に形成された空気取入れ口37、空気流路36、空気吹出し口38により、請求項にいう第1の空気ブロー手段が構成される。また、トーチボディ10とノズル30が、請求項にいうトーチ本体を構成する。
なお、空気吹出し口38の径は、吹出された空気の流速が、図3（b）の矢印の大きさとなるように調整されている。このように、6箇所の空気吹出し口38から均一にブローせずに不均一にブローしているのは、均一にブローした場合には保護ガラス21a表面をブローした空気が、ノズル30の中心付近で衝突し、そこから上方に向かって流れるため、その中心部分において流れが淀む箇所ができやすく、このような流れが淀む箇所があると、一旦ノズル30内に侵入した溶融飛散物等がノズル30外に排出されず、保護ガラス等に溶着（付着）する原因となるからである（特に、レーザ光のエネルギ密度が高い中心部においてこの現象を抑制したいという要求が強いためである。）。
なお、テーパ部32の先端開口部35は、図3（a）に示すように斜めになっている。これは、ノズル30の内部空間33の空気を淀むことなくノズル30外に吐き出すためである。
なお、本実施の形態においては、ノズル30を熱伝導性の良い非鉄金属とし、ワーク（鉄）からの溶融飛散物の付着を防止している。
【００２６】
次に、ローラスティ40について図4を用いて説明する。ローラスティ40は、ワークWに溶接を行なう際に、ローラによりワークＷを押さえつけワークとトーチとが所定の距離となるように調節する部材である。
このローラスティ40は、図4に示すようにブラケット取付部41と、ブラケット取付部41から下方に伸びるサイドブロー部42とからなる。ブラケット取付部41は、図示省略したボルトにより図1で説明したローラスティ取付ブラケット50に固定される。
サイドブロー部42には、その側面（図4（ａ）に示す左側の側面）に空気取入れ口44が形成されると共に、その空気取入れ口44から反対側の側面近傍に続く空気流路４５が形成される。空気流路４５の所定箇所（図4（a）における右側の側面）には、3箇所の空気吹出し口46a、46b、46cが形成される。空気吹出し口46a、46b、46cは、図4（ｂ）に示すようにスリット状の形状を有している。これは、ノズル30の開口部35の全領域を空気吹出し口46a、46b、46cから吹出した空気がブローできるようにするためである。
また、サイドブロー部42の先端にはワーク押えローラ43が回転可能に支持されている。なお、サイドブロー部42の長さは、ワーク表面でレーザ光が焦点を結ぶように設計されている。
【００２７】
次に上述した構成を有するレーザ加工トーチの作用について説明する。
まず、溶接ロボット等のアームの先端に取付けられたレーザ加工トーチを、溶接すべき位置に位置決めする（図1参照）。この時、ローラスティ40の先端に取付けられたワーク押えローラ43がワークWに接触し、レーザ加工トーチとワークWの間の距離が所定の距離となる。
次に、図示省略したレーザ発振器を作動させ、レーザ発振器から出射したレーザ光を、トーチボディ10に導く。図2に示すように、光ファイバ12の先端面12aから出たレーザ光は、広がりながら反射ミラー24で反射される。反射したレーザ光は、集光レンズ22a、22bで収束されながら、保護ガラス21a、21bを透過する。保護ガラス21a、21bを透過したレーザ光は、ノズル30の先端開口部35より出射されて、ワークW表面上に所定のレーザ径で照射され、溶接が行われる。
この際、空気供給源とローラスティ40の間に配置された流量調整弁及び空気供給源とノズル30の間に配置された流量調整弁を調整することにより、ノズル30及びローラスティ40に所定の空気流量の空気が供給され、図1に示すような空気流Aと、空気流Aに対して側方より衝突する空気流Bが形成される。以下、空気流A及び空気流Bの作用について詳細に説明する。
【００２８】
空気流Aは、ノズル30に供給された空気により形成される（図3参照）。すなわち、ノズル30に供給された空気は、空気取入れ口37からノズル30内に入り、環状部34の空気流路36を流れる。空気流路36を流れる空気は、空気流路36に形成された空気吹出し口38から保護ガラス20a表面に吹出される。この際、吹出された空気の流速は、図3（ｂ）に示すように左右の吹出し口で不均一に吹出されている。そして、左右の各空気吹出し口38から保護ガラス20a表面に吹出された空気は、保護ガラス20aの表面全体をブローし、左右の空気流同士が衝突する。衝突した空気は、ノズル30先端の開口部35に向かって流れ、開口部35からレーザ光の照射位置（加工点）に向かう空気流Aとなる。このような空気の流れにより、ノズル30内に侵入した溶融飛散物はノズル30外に排出される。
また、空気吹出し口38から吹出した空気で保護ガラス21a表面をブローすることにより、保護ガラス21a表面への溶融飛散物の付着が防止される。
【００２９】
空気流Bは、ローラスティ40に供給された空気により形成される（図4参照）。
すなわち、ローラスティ40に供給された空気は、空気取入れ口44からローラスティ40内に形成された空気流路45に流れる。空気流路45に流れた空気は、空気流路45に形成された空気吹出し口46a、46b、46cから吹出される。吹出された空気の方向は、前述した空気流Aに対して垂直な方向となっている。
本実施の形態では、この空気流Bにより、レーザ照射位置（加工点）より飛散する溶融飛散物がノズル30の開口部35よりノズル30内に侵入することを防止し、かつ、ノズル30の開口部35からレーザ照射位置（加工点）に向かう空気流Aの方向を変える働きをする。すなわち、ワークWに一番近い空気吹出し口46cから吹出される空気は、主にレーザ照射位置（加工点）から飛散する溶融飛散物が開口部35からノズル30の内部に侵入することを防止し、ノズル30に一番近い空気吹出し口46aから吹出される空気は、主に空気流Aの方向を変える働きをする。
このように本実施の形態では、ローラスティ40に形成された空気取入れ口44、空気流路45、空気吹出し口46a、46b、46cが、請求項にいう第2の空気ブロー手段を構成する。
【００３０】
なお、上記のように形成される空気流Aと空気流Bの空気流量は、以下の手順で決められている。
本実施の形態では、まずローラスティ40から吹出される空気流Bの空気流量Q2を設定した。この空気流量Q2は、図6で説明したように、レーザ照射点から飛散する溶融飛散物がノズル30の先端開口部35からノズル30の内部に侵入しないような空気流量に設定した。具体的には、ノズル30の空気吹出し口38から空気を吹出さない状態でローラスティ40の空気流量を変えながら溶接を行ない、飛んでくる溶融飛散物の軌跡を観察し、溶融飛散物がノズル30の内部に侵入しない空気流量Q2を決定した。
次に、空気流量Q2でローラスティ40の空気吹出し口46a、46b、46cから空気を吹出した時に、ノズル30から吹出す空気流Aがレーザの照射位置から所定の距離離れた位置でワークと衝突するように、ノズル30の空気吹出し口38から吹出される空気流量Q1を決定した。具体的には、ローラスティ40から空気流量Q2で空気を吹出しながら、徐々に空気流量Q1を増やしながらレーザ照射点の被溶接物の状態を観察し、被溶接物が空気流Aにより吹き飛ばない範囲内で最大流量となるように空気流量Q1を決定した。
【００３１】
以上詳述したように、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、ノズル30内で保護ガラス20a表面をブローしているため、ワークの形状等により影響を受けることなく、安定して保護ガラス20a表面をブローすることができる。また、ノズル30が、保護ガラス20aを衝撃等より保護する物理的な保護部材となっている。
また、ノズル30内で保護ガラス20a表面をブローした空気によりノズル30の先端開口部35よりレーザ照射点に向かう空気流Aが形成されるが、この空気流Aは、ローラスティ40に設けられた空気吹出し口46から吹出される空気により形成される空気流Bにより方向転換が行われるのでレーザ照射点の被溶融物を飛散させることがない。
また、ローラスティ40に設けられた空気吹出し口46から吹出される空気により形成される空気流Bで、レーザの照射点近傍から飛散する溶融飛散物の飛散する方向を変えることにより、積極的にノズル30内への溶融飛散物の侵入を防止することができる。また、仮にノズル30内に溶融飛散物が侵入したとしても、ノズル30内をブローしている空気により速やかに溶融飛散物がノズル外に運び出され、保護ガラス20a表面に溶融飛散物が付着することを防止できる。
また、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、ノズル30からレーザ照射点に向かって流れる空気流Aの方向転換を行なう空気流Bの空気を吹出す位置及び方向を一定とし、空気流量だけを調節するようにしているので、調節作業を容易に行なうことができる。
さらに、ノズル30及び保護ガラス20aが空気で冷却されるので、ノズル30の外部等に付着した溶融飛散物が急速に冷却され、ノズル30に溶融飛散物が溶着し堆積することを防止することができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態では、ローラスティ40に空気吹出し口46a、46b、46cを設けたが、このような構成とすることなく、別途空気ノズル等を配設することにより行なっても良い。この際、配設する空気ノズルの数、配設する位置、空気ノズルからの空気吹出し方向は本実施の形態にとは異なる形態を採ることができる。
また、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、空気吹出し口46a、46b、46cの3箇所で空気を吹出すこととしたが、このような形態に限られず、空気吹出し口の数はどのような数であっても構わない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のレーザ加工トーチによれば、トーチ本体内部に収納した透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内部に溶融飛散物を含んだ空気を吸引することなく、透光部材をブローした後の空気流が加工点に向かわないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工トーチの概略構成図である。
【図２】トーチボディの構成を説明する図面である。
【図３】ノズルの構造を説明するための図面である。
【図４】ローラスティの構造を説明するための図面である。
【図５】第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段の空気流量を設定するための考え方を説明するための図面である。
【図６】第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段の空気流量を設定するための他の考え方を説明するための図面である。
【図７】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【図８】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【図９】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【符号の説明】
10・・トーチボディ
21a、21b・・保護ガラス
22a、22b・・集光レンズ
30・・ノズル
37・・空気取入れ口
38・・空気吹出し口
40・・ローラスティ
42・・サイドブロー部
46a、46b、46c・・空気吹出し口
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をワークに照射することにより加工を行うレーザ加工トーチに関し、詳しくはレーザ加工トーチに用いられる透光部材（集光レンズ、保護ガラス等）表面への溶融飛散物の付着防止技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工トーチは、トーチ本体内にレーザ発振器から出射したレーザ光を導き、そのレーザ光を透光部材を介してワーク表面に照射する。レーザ光がワークに照射されると、そのエネルギによりワークが溶け、その溶融物の一部が溶融飛散物として空気中に飛散する。飛散した溶融飛散物が透光部材（集光レンズ、集光レンズを保護する保護ガラスを備えた加工トーチにあっては保護ガラス）表面に付着すると、透光部材の損傷及びレーザエネルギの低下を招く。
このため従来から、透光部材表面への溶融飛散物の付着を防止するため、種々の技術が提案されている。
【０００３】
図７に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10内に集光レンズ22を収納し、また、トーチ本体10の表面に保護ガラス20が配設される。レーザ発振器から出射したレーザ光Ｌは、集光レンズ22により集光され、保護ガラス20を透過して加工点Ｋに照射される。
このレーザ加工トーチにおいては、保護ガラス20の側方に保護ガラス表面に空気Ａをブローする空気ブロー手段を設け、保護ガラス表面への溶融飛散物の付着を防止している。
しかしながら、図7に示す構成のレーザ加工トーチでは、保護ガラス20がトーチ本体10内に収納されずにトーチ本体10の表面に配設されているため保護ガラス20の表面を安定して均一にブローできないという問題があった。すなわち、レーザ加工トーチとワークの位置関係によっては、ブローした空気Ａがワークに当たって吹き返し（点線で示す流れ）が生じ、保護ガラス20表面をブローする空気の流れを乱すためである。
【０００４】
また、図8に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10に集光レンズ22を備える点については図7に示すものと同一であるが、図8に示すものではトーチ本体10にノズル部30を形成し、ノズル部30の内部空間33で保護ガラス20表面を空気Ａでブローすることとしている。
すなわち、保護ガラス20をトーチ本体10内に収納し、トーチ本体10の内部で保護ガラス20の表面をブローする。このため、図7に示すトーチで問題となったブローした空気のワークによる吹き返しという問題は発生ぜず、安定して保護ガラス20表面をブローすることができる。
しかしながら、図8に示すレーザ加工トーチでは、保護ガラス20表面を空気Ａでブローすると、このブローした空気によりノズル部30の開口部35から加工点Ｋに向かう空気流Ｂが形成される。この空気流Ｂが加工点Ｋの被溶融物を周囲に飛散させるという問題があった。
【０００５】
また、トーチ内に収納した透光部材の表面をブローした空気により形成される空気流が、トーチ先端から加工点Kに向かわないようにしたレーザ加工トーチとして、図9に示すレーザ加工トーチが知られている（特開平5-123886）。
図9に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10にノズル部30を設け、また、トーチ本体10内に集光レンズ22及び保護ガラス20を収納する点は図8に示すものと同一である。
図9に示すレーザ加工トーチでは、トーチ本体10側壁に、集光レンズ22と保護ガラス20の間の内部空間15に空気を吹き込むための吹込み孔11が設けられる。また、保護ガラス20の側面部分で、トーチ本体10の内壁の一部に、内部空間15とノズル部30の内部空間33とを連通する連通孔13が形成される。さらに、ノズル部30の側壁には、内部空間33の空気を外部に吸引するための吸引孔31が形成される。吸引孔31には、吸引装置（図示省略）が取り付けられている。
このような構成のレーザ加工トーチにおいては、吹込み孔11から内部空間15内に空気Ａが吹込まれると、この吹込まれた空気は連通孔13を通って、保護ガラス20表面をブローする。保護ガラス20表面をブローした空気は、吸引装置により吸引孔31からノズル部30の外側に吸引される。したがって、保護ガラス20をブローする空気によって、開口部35から加工点Ｋに向かう空気流が形成されない。
しかしながら、図９に示すレーザ加工トーチでは、吸引孔31に取付けた吸引装置を作動させると、ノズル部30の内部空間33が負圧となるため、ノズル部30の外側の溶融飛散物を含んだ空気をもノズル部30内に吸引することとなり、ノズル部30の内側に溶融飛散物が付着するという問題が生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、トーチ本体に収納した透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内部に溶融飛散物を含んだ空気を吸引することなく、透光部材をブローした後の空気流が加工点に向かわないようにすることができるレーザ加工トーチを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した課題は、請求項1に記載のレーザ加工トーチにより達成することができる。
すなわち、請求項1に記載したレーザ加工トーチは、開口部が形成されたトーチ本体と、該トーチ本体に収納された透光部材とを備え、前記透光部材を介して前記開口部からワーク表面上の加工点にレーザ光を照射するレーザ加工トーチであって、前記開口部と前記透光部材の間に配設された第１の空気ブロー手段と、前記第１の空気ブロー手段により形成される前記開口部から流れでる空気流に対して、その側方より空気をブローする第２の空気ブロー手段とを有する。
ここで、前記第１の空気ブロー手段は、前記透光部材の中心を通る中心線に対して線対称となる位置関係に配置された１対の空気吹出し口を複数有している。そして、各空気吹出し口から吹出される空気は、その空気吹出し口と線対称となる空気吹出し口に向かって前記透光部材の表面をブローし、かつ、線対称となる１対の空気吹出し口の一方から吹出される空気の流速が他方から吹出される空気の流速と異なることを特徴とする。
かかる構成を有するレーザ加工トーチでは、第１の空気ブロー手段により形成される開口部から流れ出る空気流と、第２の空気ブロー手段からブローされる空気流とが衝突するため、第1の空気ブロー手段により形成される空気流の向きが変えられる。
したがって、トーチ本体に収納された透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内にトーチ外部の空気を吸引することなく、透光部材をブローすることにより形成される空気流を加工点に向かわないようにすることができる。
また、第１の空気ブロー手段の空気吹出し口は、透光部材の中心を通る中心線に対して線対称となる位置関係に配置されており、線対称となる１対の空気吹出し口の一方から吹き出された空気は他方から吹出された空気と衝突するようになっている。そして、線対称となっている１対の空気吹出し口の一方から吹出される空気の流速は他方から吹出される空気の流速と異なるため、両者は透光部材の中心線からずれた位置で衝突する。このため、透光部材の中心部に流れが淀む箇所ができにくくなり、透光部材への溶融飛散物の付着を抑制することができる。
【０００８】
ここで、「透光部材」とは、集光レンズや保護ガラス等のレーザ光を透過することができる全ての部材をいい、レーザ加工トーチに配設された状態で飛散する溶融飛散物が付着する可能性がある部材を意味する。
また、「加工点」とは、レーザ光が照射され、そのエネルギによりワーク等が溶けて被溶融物が生じている場所を意味する。
また、「空気流に対して、側方より」とは、空気流に対して垂直な方向には限られず、空気流の流れの向きが変えられる方向であればどのような方向であっても良い。
【０００９】
上記レーザ加工トーチにおいては、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を適切に調整することにより、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段によって形成される空気流による加工点の被溶融物の飛散を有効に防止することができる。
【００１０】
ここで、上記構成を有するレーザ加工トーチで、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となる調整方法を、図5を用いて説明する。図5中、ワークをＷ、トーチ本体をＮ、加工点（レーザの照射位置）をＫで示す。また、図５では、トーチ本体Ｎの長手方向をｙ方向、垂直な方向をｘ方向とする。
まず、上記構成を有するレーザ加工トーチで、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1を決定する。第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1が決まれば、第1の空気ブロー手段をこの条件で作動させたときに発生する開口部から流れ出る空気流Aの流速（運動量）等が決まる。
空気流Aの流速等が決まれば、この空気流Aが加工点Kから所定の距離ｓだけ離れた位置PでワークＷに衝突するように、第2の空気ブロー手段のブロー位置（r，l）、ブロー方向θ及び空気流量Q2を決定することができる。
ここで、「ブロー位置」とは、各空気ブロー手段の配置される位置をいい、第２のブロー手段では、図5で示すようにトーチ本体Nの開口部中心からｘ方向の距離ｒと、トーチ本体Ｎの先端からの距離ｌで表すことができる。
また、「ブロー方向」θとは、各空気ブロー手段から吐出される空気流の方向をいい、第２の空気ブロー手段では空気流Ｂの方向をいい、図5のθで表される。また、「所定の距離」ｓとは、空気流Ａと空気流Ｂによって形成される空気流によって、加工点Kの被溶融物を飛散させないような距離をいう。
【００１１】
具体的には、第２の空気ブロー手段のブロー位置(ｒ，ｌ)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとして変えながら、コンピュータを利用して流れの運動方程式を解くことにより、空気流Aが点Pでワークと衝突するようなブロー方向θ、ブロー位置(r，l)、空気流量Q2を決めることができる。また、第1の空気ブロー手段を前記決定した条件で作動させながら、第2の空気ブロー手段のブロー位置(ｒ，ｌ)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとして変えながら実際に実験を行い、加工点の被溶融物の飛散状態からブロー方向θ、ブロー位置(r，l)、空気流量Q2を決めても良い。
このように、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1が決まれば、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決めることができる。
【００１２】
すなわち、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量に、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段とが調整されたレーザ加工トーチが、請求項2に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項２に記載したレーザ加工トーチでは、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている。
【００１３】
したがって、請求項２に記載されたレーザ加工トーチによれば、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段により形成される空気流が、所定の距離ｓだけ離れた位置でワークＷに当るため、加工点Kの被溶融物の飛散を少なくすることができる。
【００１４】
また、第1と第2の空気ブロー手段を、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量となるような調節手段を備えたのが請求項３に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項３に記載のレーザ加工トーチでは、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第1の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流が、ワーク表面に衝突する位置を前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段を有している。
【００１５】
請求項2又は３に記載したレーザ加工トーチでは、第2の空気ブロー手段の目的は第１の空気ブロー手段により形成される空気流の流れの向きを変えることが主目的であった。しかしながら、第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を調整することで、より積極的に加工点Kから飛散する溶融飛散物のトーチ本体内への侵入を防止することができる。
【００１６】
ここで、請求項1に記載されたレーザ加工トーチにおいて、前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流により、加工点Kから飛散する溶融飛散物のトーチ本体内への侵入を防止する調整方法を、図６を用いて説明する。なお、図5と同じ部分には同一の符号を付す。
すなわち、図6の点線で示す軌跡を描いて飛散する溶融飛散物（質量ｍ、速度ｖ）が、図6に示す一点鎖線に示す軌跡となるように、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決定する。
具体的には、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとしてその値を変えながら、コンピュータを利用し溶融飛散物の運動方程式を解くことにより、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1、及び第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2を決めれば良い。また、第1の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量Q1と、第2の空気ブロー手段のブロー位置(r，l)、ブロー方向θ、空気流量Q2をパラメータとしてその値を変えながら実験を行い、加工点からの溶融飛散物の状態を観察することにより決めても良い。
【００１７】
この際、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段を上記決定した条件で作動させた時に、第１の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段により形成される空気流AがワークW表面と衝突する位置を、加工点Kから所定距離だけ離れた位置となるようにする必要がある。
【００１８】
このように決定された各ブロー位置、各ブロー方向及び各空気流量に、第１の空気ブロー手段と第２の空気ブロー手段が調整されたレーザ加工トーチが請求項４に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項4に記載したレーザ加工トーチは、請求項2に記載されたトーチにおいて、ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている。
したがって、請求項4に記載したレーザ加工トーチでは、第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段により形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、レーザ光の照射位置から所定の距離ｓだけ離れた位置とすることができ、さらに、加工点Kから飛散する溶融飛散物がトーチ本体Nの開口部からトーチ本体N内部に侵入することを防止することができる。
【００１９】
また、第1と第2の空気ブロー手段を、このように決定された各ブロー位置、ブロー方向及び空気流量となるような調節手段を備えたのが請求項５に記載されたレーザ加工トーチである。
すなわち、請求項５に記載のレーザ加工トーチは、請求項１に記載のレーザ加工トーチにおいて、ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第２の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第２の空気ブロー手段により形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段とを有する。
【００２０】
なお、上述した請求項２又は４に記載されたレーザ加工トーチを最も簡易に実施するレーザ加工トーチとしては、第1の空気ブロー手段のブロー位置とブロー方向、及び第2の空気ブロー手段のブロー位置とブロー方向を固定することである。
このため、請求項２又は４に記載のレーザ加工トーチでは、第1の空気ブロー手段の空気流量と、第2の空気ブロー手段の空気流量のみを調整すれば良い。
【００２１】
なお、本発明のレーザ加工トーチは種々の用途に実施することができるが、特にレーザ溶接用のトーチとして実施する場合には、トーチ本体の開口部からの空気流により加工点の被溶融物を飛散させないので有効である。
また、近年装置の小型化の要請から、レーザ溶接トーチのレーザ発振器として、CO２レーザ（焦点距離：約30cm）に代わって焦点距離の短いYAGレーザ（焦点距離：約10cm）を使用する場合がある。
この場合には、焦点距離が短くなる分だけトーチと加工点との距離が短くなり溶融飛散物の透光部材への付着が問題となる。したがって、レーザ発振器にYAGレーザを使用した場合に、本発明は特に有効である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明をレーザ溶接トーチに適用した一実施の形態について図1乃至図4を用いて説明する。ここで、図1は本実施の形態に係るレーザ溶接トーチの全体構成を示す図面であり、図2はトーチボディの構造を説明するための図面であり、図3はトーチボディに取り付けられるノズルの構造を説明するための図面であり、図4はトーチボディに取り付けられるローラスティの構造を説明するための図面である。
【００２３】
図1に示すように、本実施の形態のレーザ溶接トーチは、トーチボディ10と、トーチボディ10の先端に取り付けられるノズル30と、トーチボディ10にローラスティ取付ブラケット50を介して取付けられるローラスティ40とを備える。ノズル30及びローラスティ40は、流量調節バルブ（図示省略）を介して空気供給源に連結され、空気供給源から所定流量の空気が供給されるようになっている。
【００２４】
トーチボディ10の構造について、図2を用いて説明する。トーチボディ10は、ファイバ取付部11aと、ファイバ取付部11aにボルト（図示省略）により固定されるレンズ保持部11bを主として構成される。
ファイバ取付部11aは、内部が空洞になった中空構造を有し、一端に光ファイバ12が取付けられ、他端にレンズ保持部11bが取付けられるようになっている。光ファイバ12は、図示省略したレーザ発振器（YAGレーザ）に接続され、レーザ発振器で発生されたレーザ光をトーチボディに導く。
ファイバ取付部11aの他端に取付けられるレンズ保持部11bは、その内部に反射ミラー24が保持されると共に、反射ミラー24の上方に2枚の集光レンズ22a、22bが保持されている。集光レンズ22a、22bは2枚の凸レンズからなり、お互いに凸面が向き合うように配置されている。また、光ファイバ12の先端面12aと反射ミラー24・集光レンズ22a、22bの位置関係は、光ファイバ12からトーチボディ10内に導かれたレーザ光Ｌが、反射ミラー24で反射され、反射されたレーザ光Ｌが集光レンズ22a、22bにより所定の位置で焦点を結ぶよう、その位置関係が調整されている。
また、レンズ保持部11bには、集光レンズ22a、22bを溶融飛散物等から保護するための保護部材26が着脱可能に取付けられている。保護部材26は、保護ガラス21aを保持する保護ガラス保持部20aと、保護ガラス21ｂを保持する保護ガラス保持部20ｂとで構成される。
本実施の形態のレーザ溶接トーチでは、集光レンズ22a、22bを保護する保護部材として、2枚の保護ガラス21a、21bを使用することにより、1枚の保護ガラス21aが何らかの原因で損傷しても、もう一枚の保護ガラス21bにより集光レンズ22a、22bを保護することとしている。
また、保護ガラス21a、21bを直接レンズ保持部11bに固定するのではなく、レンズ保持部11bに着脱可能な保護ガラス保持部20a、20bに保持させることにより、保護ガラス21a、21bの交換を容易に行なうことができる。
【００２５】
上述した保護ガラス保持部20aには、図3に示すノズル30が着脱可能に取付けられる。
ノズル30は、図3に示すように、略円筒状を有し、保護ガラス21a表面をブローする空気が導かれる環状部34と、環状部34からテーパ状に形成されたテーパ部32を有する。
環状部34には、空気取入れ口37が形成されると共に、空気取入れ口37から取入れた空気が流れる空気流路36が形成される。空気流路36は、環状部34の全周に渡って環状の空気流路を形成し、その流路上の6箇所に空気吹出し口38が設けられている（図3（b）参照）。空気吹出し口38の形状は、空気吹出し口38から吹出される空気が保護ガラス21a表面を図3（b）の矢印で示す向きにブローするように調整されている。
このように、本実施の形態では、ノズル30に形成された空気取入れ口37、空気流路36、空気吹出し口38により、請求項にいう第1の空気ブロー手段が構成される。また、トーチボディ10とノズル30が、請求項にいうトーチ本体を構成する。
なお、空気吹出し口38の径は、吹出された空気の流速が、図3（b）の矢印の大きさとなるように調整されている。このように、6箇所の空気吹出し口38から均一にブローせずに不均一にブローしているのは、均一にブローした場合には保護ガラス21a表面をブローした空気が、ノズル30の中心付近で衝突し、そこから上方に向かって流れるため、その中心部分において流れが淀む箇所ができやすく、このような流れが淀む箇所があると、一旦ノズル30内に侵入した溶融飛散物等がノズル30外に排出されず、保護ガラス等に溶着（付着）する原因となるからである（特に、レーザ光のエネルギ密度が高い中心部においてこの現象を抑制したいという要求が強いためである。）。
なお、テーパ部32の先端開口部35は、図3（a）に示すように斜めになっている。これは、ノズル30の内部空間33の空気を淀むことなくノズル30外に吐き出すためである。
なお、本実施の形態においては、ノズル30を熱伝導性の良い非鉄金属とし、ワーク（鉄）からの溶融飛散物の付着を防止している。
【００２６】
次に、ローラスティ40について図4を用いて説明する。ローラスティ40は、ワークWに溶接を行なう際に、ローラによりワークＷを押さえつけワークとトーチとが所定の距離となるように調節する部材である。
このローラスティ40は、図4に示すようにブラケット取付部41と、ブラケット取付部41から下方に伸びるサイドブロー部42とからなる。ブラケット取付部41は、図示省略したボルトにより図1で説明したローラスティ取付ブラケット50に固定される。
サイドブロー部42には、その側面（図4（ａ）に示す左側の側面）に空気取入れ口44が形成されると共に、その空気取入れ口44から反対側の側面近傍に続く空気流路４５が形成される。空気流路４５の所定箇所（図4（a）における右側の側面）には、3箇所の空気吹出し口46a、46b、46cが形成される。空気吹出し口46a、46b、46cは、図4（ｂ）に示すようにスリット状の形状を有している。これは、ノズル30の開口部35の全領域を空気吹出し口46a、46b、46cから吹出した空気がブローできるようにするためである。
また、サイドブロー部42の先端にはワーク押えローラ43が回転可能に支持されている。なお、サイドブロー部42の長さは、ワーク表面でレーザ光が焦点を結ぶように設計されている。
【００２７】
次に上述した構成を有するレーザ加工トーチの作用について説明する。
まず、溶接ロボット等のアームの先端に取付けられたレーザ加工トーチを、溶接すべき位置に位置決めする（図1参照）。この時、ローラスティ40の先端に取付けられたワーク押えローラ43がワークWに接触し、レーザ加工トーチとワークWの間の距離が所定の距離となる。
次に、図示省略したレーザ発振器を作動させ、レーザ発振器から出射したレーザ光を、トーチボディ10に導く。図2に示すように、光ファイバ12の先端面12aから出たレーザ光は、広がりながら反射ミラー24で反射される。反射したレーザ光は、集光レンズ22a、22bで収束されながら、保護ガラス21a、21bを透過する。保護ガラス21a、21bを透過したレーザ光は、ノズル30の先端開口部35より出射されて、ワークW表面上に所定のレーザ径で照射され、溶接が行われる。
この際、空気供給源とローラスティ40の間に配置された流量調整弁及び空気供給源とノズル30の間に配置された流量調整弁を調整することにより、ノズル30及びローラスティ40に所定の空気流量の空気が供給され、図1に示すような空気流Aと、空気流Aに対して側方より衝突する空気流Bが形成される。以下、空気流A及び空気流Bの作用について詳細に説明する。
【００２８】
空気流Aは、ノズル30に供給された空気により形成される（図3参照）。すなわち、ノズル30に供給された空気は、空気取入れ口37からノズル30内に入り、環状部34の空気流路36を流れる。空気流路36を流れる空気は、空気流路36に形成された空気吹出し口38から保護ガラス20a表面に吹出される。この際、吹出された空気の流速は、図3（ｂ）に示すように左右の吹出し口で不均一に吹出されている。そして、左右の各空気吹出し口38から保護ガラス20a表面に吹出された空気は、保護ガラス20aの表面全体をブローし、左右の空気流同士が衝突する。衝突した空気は、ノズル30先端の開口部35に向かって流れ、開口部35からレーザ光の照射位置（加工点）に向かう空気流Aとなる。このような空気の流れにより、ノズル30内に侵入した溶融飛散物はノズル30外に排出される。
また、空気吹出し口38から吹出した空気で保護ガラス21a表面をブローすることにより、保護ガラス21a表面への溶融飛散物の付着が防止される。
【００２９】
空気流Bは、ローラスティ40に供給された空気により形成される（図4参照）。
すなわち、ローラスティ40に供給された空気は、空気取入れ口44からローラスティ40内に形成された空気流路45に流れる。空気流路45に流れた空気は、空気流路45に形成された空気吹出し口46a、46b、46cから吹出される。吹出された空気の方向は、前述した空気流Aに対して垂直な方向となっている。
本実施の形態では、この空気流Bにより、レーザ照射位置（加工点）より飛散する溶融飛散物がノズル30の開口部35よりノズル30内に侵入することを防止し、かつ、ノズル30の開口部35からレーザ照射位置（加工点）に向かう空気流Aの方向を変える働きをする。すなわち、ワークWに一番近い空気吹出し口46cから吹出される空気は、主にレーザ照射位置（加工点）から飛散する溶融飛散物が開口部35からノズル30の内部に侵入することを防止し、ノズル30に一番近い空気吹出し口46aから吹出される空気は、主に空気流Aの方向を変える働きをする。
このように本実施の形態では、ローラスティ40に形成された空気取入れ口44、空気流路45、空気吹出し口46a、46b、46cが、請求項にいう第2の空気ブロー手段を構成する。
【００３０】
なお、上記のように形成される空気流Aと空気流Bの空気流量は、以下の手順で決められている。
本実施の形態では、まずローラスティ40から吹出される空気流Bの空気流量Q2を設定した。この空気流量Q2は、図6で説明したように、レーザ照射点から飛散する溶融飛散物がノズル30の先端開口部35からノズル30の内部に侵入しないような空気流量に設定した。具体的には、ノズル30の空気吹出し口38から空気を吹出さない状態でローラスティ40の空気流量を変えながら溶接を行ない、飛んでくる溶融飛散物の軌跡を観察し、溶融飛散物がノズル30の内部に侵入しない空気流量Q2を決定した。
次に、空気流量Q2でローラスティ40の空気吹出し口46a、46b、46cから空気を吹出した時に、ノズル30から吹出す空気流Aがレーザの照射位置から所定の距離離れた位置でワークと衝突するように、ノズル30の空気吹出し口38から吹出される空気流量Q1を決定した。具体的には、ローラスティ40から空気流量Q2で空気を吹出しながら、徐々に空気流量Q1を増やしながらレーザ照射点の被溶接物の状態を観察し、被溶接物が空気流Aにより吹き飛ばない範囲内で最大流量となるように空気流量Q1を決定した。
【００３１】
以上詳述したように、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、ノズル30内で保護ガラス20a表面をブローしているため、ワークの形状等により影響を受けることなく、安定して保護ガラス20a表面をブローすることができる。また、ノズル30が、保護ガラス20aを衝撃等より保護する物理的な保護部材となっている。
また、ノズル30内で保護ガラス20a表面をブローした空気によりノズル30の先端開口部35よりレーザ照射点に向かう空気流Aが形成されるが、この空気流Aは、ローラスティ40に設けられた空気吹出し口46から吹出される空気により形成される空気流Bにより方向転換が行われるのでレーザ照射点の被溶融物を飛散させることがない。
また、ローラスティ40に設けられた空気吹出し口46から吹出される空気により形成される空気流Bで、レーザの照射点近傍から飛散する溶融飛散物の飛散する方向を変えることにより、積極的にノズル30内への溶融飛散物の侵入を防止することができる。また、仮にノズル30内に溶融飛散物が侵入したとしても、ノズル30内をブローしている空気により速やかに溶融飛散物がノズル外に運び出され、保護ガラス20a表面に溶融飛散物が付着することを防止できる。
また、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、ノズル30からレーザ照射点に向かって流れる空気流Aの方向転換を行なう空気流Bの空気を吹出す位置及び方向を一定とし、空気流量だけを調節するようにしているので、調節作業を容易に行なうことができる。
さらに、ノズル30及び保護ガラス20aが空気で冷却されるので、ノズル30の外部等に付着した溶融飛散物が急速に冷却され、ノズル30に溶融飛散物が溶着し堆積することを防止することができる。
【００３２】
なお、上述した実施の形態では、ローラスティ40に空気吹出し口46a、46b、46cを設けたが、このような構成とすることなく、別途空気ノズル等を配設することにより行なっても良い。この際、配設する空気ノズルの数、配設する位置、空気ノズルからの空気吹出し方向は本実施の形態にとは異なる形態を採ることができる。
また、本実施の形態のレーザ加工トーチでは、空気吹出し口46a、46b、46cの3箇所で空気を吹出すこととしたが、このような形態に限られず、空気吹出し口の数はどのような数であっても構わない。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のレーザ加工トーチによれば、トーチ本体内部に収納した透光部材をブローでき、かつ、トーチ本体内部に溶融飛散物を含んだ空気を吸引することなく、透光部材をブローした後の空気流が加工点に向かわないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザ加工トーチの概略構成図である。
【図２】トーチボディの構成を説明する図面である。
【図３】ノズルの構造を説明するための図面である。
【図４】ローラスティの構造を説明するための図面である。
【図５】第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段の空気流量を設定するための考え方を説明するための図面である。
【図６】第1の空気ブロー手段と第2の空気ブロー手段の空気流量を設定するための他の考え方を説明するための図面である。
【図７】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【図８】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【図９】従来のレーザ加工トーチを説明するための図面である。
【符号の説明】
10・・トーチボディ
21a、21b・・保護ガラス
22a、22b・・集光レンズ
30・・ノズル
37・・空気取入れ口
38・・空気吹出し口
40・・ローラスティ
42・・サイドブロー部
46a、46b、46c・・空気吹出し口
Claims (5)
- 開口部が形成されたトーチ本体と、該トーチ本体に収納された透光部材とを備え、前記透光部材を介して前記開口部からワーク表面上の加工点にレーザ光を照射するレーザ加工トーチであって、
前記開口部と前記透光部材の間に配設された第１の空気ブロー手段と、
前記第１の空気ブロー手段により形成される前記開口部から流れでる空気流に対して、その側方より空気をブローする第２の空気ブロー手段と、を有し、
前記第１の空気ブロー手段は、前記透光部材の中心を通る中心線に対して線対称となる位置関係に配置された１対の空気吹出し口を複数有しており、
各空気吹出し口から吹出される空気は、その空気吹出し口と線対称となる空気吹出し口に向かって前記透光部材の表面をブローし、かつ、線対称となる１対の空気吹出し口の一方から吹出される空気の流速が他方から吹出される空気の流速と異なることを特徴とするレーザ加工トーチ。 - 前記第1の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている請求項１に記載のレーザ加工トーチ。
- 前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、
前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第1の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第2の空気ブロー手段とにより形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段とを有する請求項１に記載のレーザ加工トーチ。 - ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量と、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量とが調整されている請求項２に記載のレーザ加工トーチ。
- ワーク表面から飛散する溶融飛散物が前記開口部より前記トーチ本体内に侵入しないように、前記第2の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段と、
前記調節されたブロー位置、ブロー方向及び空気流量で前記第２の空気ブロー手段を作動させたときに、前記第１の空気ブロー手段と前記第２の空気ブロー手段により形成される空気流がワーク表面に衝突する位置を、前記加工点から所定の距離だけ離れた位置となるように、前記第１の空気ブロー手段のブロー位置、ブロー方向及び空気流量を調節する手段とを有する請求項１に記載のレーザ加工トーチ。
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