JP3989278B2 - レーザ材料加工用工具ヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを用いた全ての切除法または切断法のために使用可能であり、その形式としてはドイツ実用新案登録第29504457号明細書(DE29504457U1)から知られている工具ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザを用いた切除法または切断法では、加工ゾーンにおいて反応物質（粒子）が放出され、これらの反応物質の一部は爆発形状で拡散して加工材料表面から離れてゆく。レーザ光線束（光学通路）の放射経過の領域内にそれらの反応物質が滞在ないしは付着することにより、これらの反応物質はレーザ加工プロセスを制御不能に侵害することになる。
【０００３】
このような侵害は、一方では光学通路内の透過状態が変更されることにより、他方では光学通路が幾何学的に制限されることにより引き起こされる。実際には、光学的な有効面が汚染される場合またはレーザ光線の吸収および散乱を高める粒子が光学通路内の空気経路に蓄積する場合に透過状態が悪化することになる。光学通路の幾何学的な制限の危険性は、特に、実際には光学的に作用しないエッジ及び面に粒子が付着することによってこの付着が光学通路内の幾何学的な拡張をもたらし且つそれにより光学的に有効なものとなってしまう場合に生じる。
【０００４】
前述の問題点から、レーザ切断ノズルを備えた工具ヘッドには必然的に次の要求が成される。即ち、加工材料表面に向かう最後の光学面に対する粒子の衝突を防止すること。また、最後の光学面と加工材料表面との間の光学通路内で空気経路を粒子から離しておくこと、即ち、粒子の発生を考慮した搬出である。
【０００５】
前記の課題提起に対して従来技術から様々な問題解決策が知られていて、それらは様々な労力と成果と共に要求を解決する。
【０００６】
光線形成のために必要な集束レンズの汚染を回避するために保護ガラスを放射方向で集束レンズの次に配置することが知られている。この保護ガラスは、その汚染が加工を妨げる場合に交換される。このことは周期的に繰り返される時間消費と材料消費を意味する。より長期に渡って保護ガラスをきれいに保つために、加工時に放たれる粒子をガス流を用いて側方に吹き飛ばし、その後に吸引すること（クロス・ジェット・方式）が知られている。それによりレーザ光線束の軸線に対して流れの下流側にある粒子は確実に搬出され、それに対して流れの上流側にある粒子は方向転換して保護ガラスに吹き付けられ得る。従って、汚染は長期化されるが、確実に回避されることはない。
【０００７】
レーザ光線束に対して横向きに指向されるガス流を用いて加工面を付勢するため、及びこのガス流を再び吸引するためには、少なくとも１つのガスノズル及び少なくとも１つの吸引装置をレーザ光線束に対して横向きに配置することが必要である。
【０００８】
このような解決策では、レーザ光線束に対して横向きの拡張構成により、加工すべき加工材料表面上で直接的に大きなスペースが必要とされ、それにより、このような解決策は平坦な加工材料の加工に制限されている。
【０００９】
ドイツ実用新案登録第29504457号明細書(DE29504457U1)で開示されている解決策は、より少ないスペース要求、集束レンズのあとに配置されている保護ガラスの汚染をより良く回避すること、並びに、粒子をほぼ完全に吸引することを約束している。
【００１０】
その際の基本思想は、放たれた粒子を常にレーザ光線束の軸線から離して光学通路の外に案内すること、及び、周辺からの反応物質が光学通路内に進入することを防止することである。そのためにノズルが保護ガラスのあとに配置される。入口開口部を介して供給されるガス流は、レーザ光線束の軸線を中心にノズルを同軸で配置することによりレーザ光線束の放射方向に案内され、レーザ光線束およびそれと共にノズルの出口開口部と加工材料の表面との間の光学通路を完全に取り囲む。運び去られる粒子を含むガス流を吸引するためにノズルはリング形状の吸引ホッパーにより包囲されている。この種の装置においてガス流は実質的にレーザ光線束の軸線方向で加工材料表面に衝突するまで流れてゆき、その後、半径方向に軸線から離れて偏向される。
【００１１】
上記の解決策は、確かに保護ガラスの汚染を防止し、光学通路から粒子を迅速に搬出することを保証するが、状況次第では新たな問題点を引き起こしてしまう。ここで状況次第とは、その新たな問題点が、ノズルの出口開口部の直径を出来るだけ小さく選択すべき場合に限って問題となるためである。
【００１２】
少ないガス量だけを用いた大きな流れ速度によって粒子飛行に対抗するように作用する高い運動エネルギーを生成するために、ノズルの出口開口部の直径を出来るだけ小さくすべきであるということから出発し、ノズルの出口開口部の直径は、この出口開口部の面内における光学通路の直径よりも大きく且つ最小限に寸法決めされるべきである。しかしこのことは、付着が出口開口部において僅かであっても光線束を制御不能に制限してしまい、それにより加工材料表面上に衝突するレーザ光線力に制御不能に影響を与えることになる。
【００１３】
実際に示されたように、粒子はノズルの対称軸線に対して半径方向においても特に軸方向においてもノズルの出口開口部に急速に付着する。汚れのない状態の円形の出口開口部は粒子の付着が増加して放射方向で漏斗状に「成長」し、それによりレーザ光線束に対して定義不能の遮光作用を施すことになる。
【００１４】
同様の問題点がドイツ特許出願第3923829号明細書(DE3923829)に記載されている解決策においても発生する。同様にここでもレーザ光線束を同軸に包囲するノズルがレンズのあとに配置されていて、このノズルも反応ガスを供給するためのものである。このノズルは吸引フードにより包囲され、この吸引フードは、加工材料表面の近くにありリング形状に配置されている多数の入口開口部と、ノズルの近くの出口開口部とを有する。この構成は吸引フード下の気流状況に影響を及ぼし、この吸引フードは特に反応物質の流出を防止し、これは実質的にはオペレータの作業保護のために用いられる。
【００１５】
ドイツ特許出願第19734294号明細書(DE19734294)には、レーザ加工用、特にレーザ溶接用の装置のための吸引装置が記載されている。ここでは集束レンズに対して内側のリングノズルと外側のリングノズルが同軸に配置されている。内側のリングノズルにより溶接に必要な保護ガスが供給され、それに対して外側のリングノズルを介して反応物質および保護ガスの吸引が行われる。ここでは、内側のリングノズルの内側の表面により包囲される光学通路内における反応物質の付着を防止する措置は施されていない。
【００１６】
前記の従来技術を総括して見てみると、レーザ光線束（光学通路）を包囲し且つガスを案内するノズル装置は、集束レンズの最終面上に粒子が付着することを回避するためには極めて適している。しかし、大きなガス速度を生成するためにこのノズル装置を最適に寸法決めするため、即ち、出来るだけ小さな出口開口部を用いてこのノズル装置を最適に寸法決めするためには、特にこのノズル装置の出口開口部における粒子の付着を防止する措置が施されなくてはならない。
【００１７】
１つの可能性として、粒子の流れを出口開口部から遠くに保つということが挙げられる。粒子の流れの経過が粒子溶出時の衝突方向の他に実質的に吸引の流れ方向により決定されるので、導入部で記載したように吸引部が加工面の直ぐ上でレーザ光線束の放射方向に対して半径方向に指向される場合には出口開口部の汚染が十分に防止される。この種の装置は３次元的な加工時には適していない。また、工具ヘッドが３次元的な表面に対するその運動自由性に関して吸引装置により制限されないためには、吸引装置が軸方向で光学通路のまわりに配置されている装置だけが考慮の対象となる。従って粒子の流れはノズルの出口開口部およびその隣接面にも当たることになる。従来技術において、ノズルの出口およびその隣接表面における粒子の付着を防止する措置が施されている解決策はない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基礎を成す課題は、ガスを案内し且つレーザ光線束を包囲するノズルを備えたレーザ材料加工用工具ヘッドであって、ノズルの出口開口部およびその隣接表面における粒子の付着が確実に防止される工具ヘッドを創作することである。それに加え、３次元的な表面形状を有する加工材料を加工することにも適している工具ヘッドのための構成的な解決策が提供されるべきである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、集束レンズとノズルと吸引装置とを有するレーザ材料加工用工具ヘッドであって、集束レンズが、レーザにより発生されるレーザ光線束を加工すべき加工材料表面上に指向させ、ノズルが、ガスを案内し、光学的な軸線を有するレーザ光線束を同軸に包囲し、軸線を中心に同軸に配置されている出口開口部を有し、出口開口部から自由噴流が流出し、更には、ノズルがパイプにより同軸に包囲され、パイプの内径が軸線に対して半径方向の全ての面内でノズルの外径よりも大きく、パイプの第１端部が外側のノズル側面と気密に接続されていて、パイプには入口開口部が設けられていて、この入口開口部を通じ、外側のノズル側面と内側のパイプ側面との間に形成されている中間空間内にガスが取り入れられ、パイプの第２端部が外側のノズル側面によりリング形状の出口開口部として制限されていて、リング形状の出口開口部がレーザ光線束の放射方向で出口開口部の後方に配置されていて、それにより、ガスが、露出している外側のノズル側面のまわりを軸方向で出口開口部に至るまで流れてゆき、引き続き、ノズルから流出する自由噴流を被いながら加工材料表面へと流れてゆく、前記工具ヘッドにおいて、吸引装置が複数の吸引ノズルを有し、それらの入口開口部が、部分リングの形状を夫々に有し、軸線に対して直角に位置する半径方向の同じ面内で軸線に対して同じ間隔でパイプのまわりにリング形状に配置されていることにより解決される。
【００２０】
本発明の有利な構成は、従属請求項に記載されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、２つの実施形態に関し、図面を用いて本発明を更に詳細に説明する。
【００２２】
図１に示されていて第１実施形態として説明される工具ヘッドは、従来技術から知られる同様の形式の工具ヘッドと同じように、主に、ケーシング４内に嵌め込まれている集束レンズ１を有し、この集束レンズ１を介してレーザ光線束が加工すべき加工材料表面８に集束される。レーザ加工時に放たれた粒子による集束レンズ１の汚染を回避するために、集束レンズ１の光学軸線６とノズル３の対称軸線が一致するようにレーザ光線束の放射方向でノズル３が集束レンズ１のあとに配置されている。ノズル３は、従来技術から知られているように、両側で開口している円錐形状のパイプであり、その第１端部は集束レンズ１と気密に接続されていて、その直径は、ノズル３が遮光作用を引き起こさないために、半径方向の全ての面内においてレーザ光線束（光学通路）の束横断面よりも大きい。ノズル３の側面には第１端部の近くに少なくとも１つのガス供給開口部１７が設けられていて、このガス供給開口部１７を介して加工プロセス中にガス量がノズル３内に圧入される。ノズル３のノズル形状およびノズル３のレーザ光線束に対する既述の配置により、加工材料表面８に衝突するに至るまで、放射方向におけるガス流（自由噴流）が得られる。ノズル３を形成するパイプの第２端部により形成されるノズル３の出口開口部２において出来るだけ少ないガス量で出来るだけ大きな流れ速度を達成するためには出口開口部２が出来るだけ小さな直径を有するべきである。この点に関し、従来技術に記載されている同様の形式の工具ヘッドに対して第１の違いが得られることになる。周知の解決策では、本明細書で既述したように、出口開口部２における粒子の付着（滞積）を回避する措置は全く成されてなく、これらの解決策では、出口開口部２の縮小または変位を引き起こす付着が光線束を制限しないようにするために、ノズル３の出口開口部２が適切に光学通路よりも明らかに大きく選択されるということを前提としなくてはならない。
【００２３】
このような付着を回避するために本発明による工具ヘッドはノズル３と同軸に配置されているパイプ５を有し、このパイプ５は外側のノズル側面７と共にリングノズルのように作用する。パイプ５の第１端部は外側のノズル側面７と気密に接続されている。従って、パイプ側面に設けられている入口開口部１８を介して導入されるガスはパイプ５の第２端部へと案内される。この第２端部は、内側に配置されているノズル３によりリング形状の出口開口部１０へと減少されている。本発明の本質的なこととして、リング形状の出口開口部１０が放射方向で出口開口部２に対して戻されたところに設けられていることが挙げられる。それによりリング形状の出口開口部１０から流出するガスは、露出している外側のノズル側面７に沿って出口開口部２に至るまで流れてゆき、それにより粒子の付着を防止する。
【００２４】
前述の第１実施形態において、ノズル３は１つの部材から製造されている。ここでは、ノズル３及びパイプ５が夫々それらの全長に渡って同じ円錐角を有する場合、ノズル３及びパイプ５の側面が製造技術的に最も簡単に製造され得る。また、内側のノズル側面１６、外側のノズル側面７、内側のパイプ側面９の円錐角は異なり得る。
【００２５】
吸引ノズル１２だけが図示される吸引装置の実施形態については後に説明する。
【００２６】
図２及び図３に示されている第２実施形態において、ノズル３は、ノズル本体１１とノズル先端部１５から成る２つの部分で製作されている。ノズル３を２つの部分で実施することは例えば損傷によりノズル先端部１５を交換することを可能とする。更にこの構成は、問題を伴うことなく簡単な方式で外側のノズル側面７を出口開口部２のまわりの領域において軸線６に対して更に大きな円錐角で製造するという可能性を提供するので、パイプ５から流出するリング形状のガス流が、既に出口開口部２の直ぐ下のところで、ノズル３から流出するガス流に当たることになる。従ってノズル先端部１５は出口開口部２に向かう直接的な縁領域においても確実に保護される。同様に工具ヘッドに属する吸引装置については本明細書の後の箇所で明確に説明される。
【００２７】
外側のノズル側面７は内側のノズル側面１６と同様に出口開口部２の領域で必ずしも円錐形状で形成される必要はなく、ノズルのための通常の平らな形状としてもよい。ノズル３内のガス流が内側のノズル側面１６のまわりを流れ、パイプ５から流出するガス流が外側のノズル側面７のまわりを流れるということが本発明の本質的なことである。両方のガス流は実質的に同じ流れ方向を有するので、本発明により、ノズル３から流出するガス流を支援する追加的なガス流が粒子飛行に対抗するように作用する。
【００２８】
図４には従来技術による工具ヘッドの気流状況が示されている。そこでは工具ヘッドの軸線に関する断面内の流線が図示されている。ノズル３から高速のガス流が流出している。このガス流は自由噴流として加工材料（加工材料表面８）上の加工位置の方向に流れてゆく。自由噴流の縁には低圧領域２０が形成されていて、この低圧領域２０は自由噴流の高い速度の結果として得られる。それにより外側からガスが引き寄せられて噴流内に混入される。軸方向の自由噴流は加工点において加工材料に当たり、そこでこの自由噴流は半径方向に偏向される。流れ機構的にはこの点が岐点２１を表す。気流は分流点２２に至るまで加工材料表面に隣接している。流れ速度は岐点２１から分流点２２に向かって減少する。分流点２２からガスは半径方向で内側に向かって流れる空気と共にリング形状の吸引ノズル１２内に吸い込まれる。
【００２９】
この気流状況に基づいて渦１９が形成される。この渦１９は必ずしも半径方向で対称である必要はない。分流点２２は例えば加工材料の輪郭線によって変位され得るが、以下の説明では重要なことではない。
【００３０】
岐点２１ではガス流がレーザ加工時に発生する粒子で満たされる。これらの粒子は気流内で流線の方向に平均的な力を受ける。無論これは時間的な平均値にだけ有効である。これらの粒子は実際には気流の乱れにより旋回される。このことは、粒子が気流内で不秩序な運動を実施し、粒子が軽いほどこれらの運動が大きいということを意味する。更に粒子は加工位置から偶然的に配分された速度で放出される。それにより、ガス流の渦１９が粒子で満たされ、繰り返し粒子が軸方向のガス噴流内に混入され、これらの粒子がレーザ光線を吸収または反射させるので、加工材料を加工するために、制限されたレーザ光線が利用されるということが説明される。更に渦１９からの粒子が繰り返しノズル３に付着する。この滞積は出口開口部２のまわりの領域で特に顕著であり、その理由は、そこでは流線が強く湾曲しているためである。その際、粒子には強い遠心力が作用し、この遠心力は粒子をノズル３の方向に移動させる。
【００３１】
幾つかの粒子飛行経路が例として図４に示されている。大部分の粒子は、滞積ゾーンを形成する切断ノズルヘッドに当たることになる。それにより、粒子が付着したノズルヘッドを短いインターバルで洗浄することが要求される。
【００３２】
図５には本発明による装置の気流状況が示されている。この図面には工具ヘッドの軸線に関する断面内の流線が含まれている。図４による従来技術に対する決定的な違いは、ノズル３と吸引ノズル１２との間にパイプ５の出口開口部１０が設けられていて、この出口開口部１０からフレッシュガスが流出するということである。出口開口部１０からのガスの流れ速度はノズル３からの自由噴流の流れ速度と比べて小さい。出口開口部１０からのフレッシュガスは先ずノズル３の外面に沿ってその出口開口部２に至るまで流れてゆく。その後、このフレッシュガスはノズル３の自由噴流によって吸入され、この自由噴流と共に軸方向に加工材料表面８へと流れてゆく。この際、フレッシュガス流は渦１９をノズル３に対しても自由噴流に対しても遮蔽する。ノズル３の遮蔽のためには、出口開口部１０が噴流方向で見てノズル３の出口開口部２に対して戻されたところに設けられていることが重要である。
【００３３】
渦１９は本発明による装置においても粒子で満たされる。しかし従来技術（図４）との違いとして、汚染されたガスが渦１９から自由噴流内に混入されことはなく、その理由は、フレッシュガスがノズル３の外面をその出口開口部２に至るまで流れた後にフレッシュガスが自由噴流によって吸入されるためである。それにより自由噴流の透明性は悪化されず、従って加工のためにレーザ光線のエネルギーがより良く利用される。出口開口部１０からのガス流がノズル３の外面に隣接しているので、フレッシュガスが常にノズル３に沿って流れ、それにより滞積の問題が回避される。
【００３４】
図５には粒子飛行経路が例として示されている。ノズル３には粒子が当たらない又は当たったとしてもごく微量であるので滞積作用が生じることはない。図５による気流状況の図では吸引装置に属する吸引ノズル１２が示唆されていて、これについて次に詳細に説明する。
【００３５】
吸引装置は１つの又は複数の吸引ノズル１２を含み、それらの入口開口部１３は光線方向で出口開口部２の後方に配置されている。また吸引装置は単に１つの吸引ノズルを有することも可能で、この際の吸引ノズルは２重壁のパイプの形状であり、そのリング形状の入口開口部１３でパイプ５を同軸に包囲する。従って工具ヘッドは既にノズル３の出口開口部２の直ぐ後方で実質的に半径方向の拡張部を有し、この拡張部は凹状に曲げられた表面形状を加工する際には邪魔となり得る。特に、小さな曲げ半径を有する自由形状面を示す加工材料表面を加工する際、ノズル３の軸線６が持続的に夫々の加工点における面法線の方向で加工材料表面上に指向され得るために必要である運動自由空間を得るために、工具ヘッドの半径方向の拡張部は出来るだけ小さいことが要求される。図２及び図３に示されている第２実施形態において、吸引装置には、軸線６に関して正反対に配置されている２つの吸引ノズル１２が属し、これらの吸引ノズル１２の入口開口部は部分リングの形状でパイプ５のまわりの制限された角度領域だけをカバーする。それにより工具ヘッドの半径方向の拡張部は入口開口部１３の面中心点の接続線に対する垂直方向においてパイプ５の直径に制限されたままである。加工材料表面８の曲げ半径に依存して、加工材料は工具ヘッドに対して、ないしは、工具ヘッドは加工材料に対して、相対運動が妨害されずに実施されるように案内され得る。両方の吸引ノズル１２は支持リング１４に取外し可能な連結部を介して固定されている。この連結部を解除することにより、吸引ノズル１２はノズル３のまわりをほぼ１８０°の角度領域に渡って回転可能であり、それにより加工材料表面８の実状に対する構成的な適合が可能とされる。また、吸引ノズル１２をレーザ材料加工中にモータ駆動で位置調節することも考慮され得る。
【００３６】
図１に示されている第１実施形態では、支持リングには単に１つの吸引ノズルが装着されている。この吸引ノズルは、加工すべき３次元的な表面の輪郭線に依存して、円滑な加工が可能とされるように工具ヘッドと加工材料との間の相対運動の方向に位置決めされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１工具ヘッドの側面断面図である。
【図２】第２工具ヘッドの側面断面図である。
【図３】第２工具ヘッドを上方から見た図である。
【図４】従来技術による工具ヘッドを用いたレーザ材料加工時の気流状況を示す図である。
【図５】本発明による工具ヘッドを用いたレーザ材料加工時の気流状況を示す図である。
【符号の説明】
１ 集束レンズ
２ ノズルの出口開口部
３ ノズル
４ ケーシング
５ パイプ
６ 集束レンズの光学軸線
７ 外側のノズル側面
８ 加工材料表面
９ 内側のパイプ側面
１０ リング形状の出口開口部
１１ ノズル本体
１２ 吸引ノズル
１３ 吸引ノズルの入口開口部
１４ 支持リング
１５ ノズル先端部
１６ 内側のノズル面
１７ ガス供給開口部
１８ パイプ側面の入口開口部
１９ 渦
２０ 低圧領域
２１ 岐点
２２ 分流点

Claims (4)

1. 集束レンズ（１）とノズル（３）と吸引装置とを有するレーザ材料加工用工具ヘッドであって、集束レンズ（１）が、レーザにより発生されるレーザ光線束を加工すべき加工材料表面（８）上に指向させ、ノズル（３）が、ガスを案内し、光学的な軸線（６）を有するレーザ光線束を同軸に包囲し、軸線（６）を中心に同軸に配置されている出口開口部（２）を有し、出口開口部（２）から自由噴流が流出し、更には、ノズル（３）がパイプ（５）により同軸に包囲され、パイプ（５）の内径が軸線（６）に対して半径方向の全ての面内でノズル（３）の外径よりも大きく、パイプ（５）の第１端部が外側のノズル側面（７）と気密に接続されていて、
   パイプ（５）には入口開口部（１８）が設けられていて、入口開口部（１８）を通じ、外側のノズル側面（７）と内側のパイプ側面（９）との間に形成されている中間空間内にガスが取り入れられ、
   パイプ（５）の第２端部が外側のノズル側面（７）によりリング形状の出口開口部（１０）として制限されていて、
   リング形状の出口開口部（１０）がレーザ光線束の放射方向で出口開口部（２）の後方に配置されていて、それにより、ガスが、露出している外側のノズル側面（７）のまわりを軸方向で出口開口部（２）に至るまで流れてゆき、引き続き、ノズル（３）から流出する自由噴流を被いながら加工材料表面へと流れてゆく、前記工具ヘッドにおいて、
   吸引装置が複数の吸引ノズル（１２）を有し、それらの入口開口部（１３）が、部分リングの形状を夫々に有し、軸線（６）に対して直角に位置する半径方向の同じ面内で軸線（６）に対して同じ間隔でパイプ（５）のまわりにリング形状に配置されていることを特徴とする工具ヘッド。
2. 吸引ノズル（１２）が軸線（６）を中心に回転可能に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の工具ヘッド。
3. 吸引ノズル（１２）の入口開口部（１３）が軸線（６）のまわりの互いの角度位置に関して調節可能であることを特徴とする、請求項１に記載の工具ヘッド。
4. 吸引ノズル（１２）が共通の支持リング（１４）に固定されていて、加工プロセス中に吸引ノズル（１２）を位置決めし直すために、支持リング（１４）がモータと接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の工具ヘッド。

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