JP4049844B2 - レーザ切断加工方法及び装置並びにレーザノズル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ切断加工方法及び装置並びに同加工方法に使用するレーザノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ切断加工方法として、レーザビームを集光レンズによって集光してワークへ照射し、かつアシストガスとして酸素または空気を使用し、ワークと酸素との酸化反応による熱を利用してワークを溶融し、溶融した金属をアシストガスによって吹き飛ばすことによるレーザ切断が行われている。
【０００３】
そして、従来は、ワークが薄板や厚板によって焦点距離の異なる集光レンズを使用し、また集光レンズの焦点位置を、ワーク表面、ワーク表面の上方位置およびワーク表面の下方位置等に位置調節してレーザ切断を行っている。さらに、ビームモードとしてはシングルモードのレーザビームを推奨し、かつ加工条件によってはパルスレーザ等が使用されている。
【０００４】
ところで、シングルモードの場合にはレーザ発振器からの距離等に拘りなく常にシングルモードを維持するので扱い易い反面、大出力になると、光軸付近の強度が高くなり集光レンズや反射鏡に熱変形や損傷を与えることがある。
【０００５】
そこで、レーザビームのシングルモードやマルチモードに拘りなく、レーザビームを小径の円筒状の内面鏡内に導き多重反射させてレーザ切断加工等を行う技術が開発されている。この技術に関する先行例として、例えば特開平４−１３４９３号公報（先行例１）がある。また類似の先行例として特開平３−２３０８８６号公報（先行例２）がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記先行例１の構成は、レーザ発振器において発振された大径（１６ｍｍ）のレーザビームを集光レンズによって集光し、例えば入口直径が０．４ｍｍで長さが１５．０８ｍｍの円形の直管又は適宜形状のテーパ状の内面鏡内に導入し、この内面鏡内において多重反射させた後、ワークに直接照射してレーザ切断加工を行う構成である。
【０００７】
上記構成においては、一般的なレーザ加工機におけるノズル径（１．５φ〜３．０φ程度）に比較して内面鏡の内径が小さくかつ長いので、内面鏡から高圧のアシストガスを噴射しようとすると、集光レンズ等を備えた加工ヘッド内の内圧が高くなり、場合によっては保持部を含む集光レンズ等の光学要素に歪みを与え、焦点位置がずれて内面鏡内へレーザビームを良好に導入できなくなることがあり、より厚いワークのレーザ切断を行う上において問題がある。
【０００８】
また、先行例１においては、カライドスコープを用いることによって、中心部にエネルギーが飛躍的に集中するような形態（中心ピークが極めて細い形態）のエネルギー分布を呈するレーザビームに変換するものである。したがって、レーザビームの軸心部のエネルギー密度が極めて高くなるものの全体として中心ピークが極めて細い針状を呈することとなり、エネルギーボリュームは小さなものである。よって、小径の孔加工には有効であるものの、厚板の切断を能率良く行う上においては問題がある。
【０００９】
前記先行例２の構成は、入口が大きく出口の径を穿孔しようとする微細孔の孔径と略同径の小径に形成したテーパ状の集光コーン内にレーザビームを導入し、レーザビームを次第に集束し、出口からプリント基板にレーザビームを照射して出口とほぼ同径の穿孔加工を行おうとするものである。
【００１０】
上記先行例２の構成においては、集光コーンの出口へレーザビームを単に集光しようとする構成であるから、充分な多重反射が行われ得ないものであり、レーザ強度の平均化を図る上において問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームを、ノズルに備えたテーパー状の反射面において反射を繰り返して上記ノズルの小径のストレート部に導入し光軸の周囲部分を多重反射させてレーザビームの光軸周囲部分のビーム強度の均一化を図り、このビーム強度を平均化したレーザビームの径を、前記ノズルから噴射されるガスジェットの径よりも大径になるように僅かに拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームとしてワーク表面に照射し、このレーザビームの照射面の中心部に酸化促進ガスジュットの流速を亜音速以上に保持して噴射し、ワークの酸化反応による熱によってワークを溶融し、その溶融部分を前記ガスジェットにより除去することを特徴とするものである。
【００１２】
また、レーザ発振器と、レーザ発振器において発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備えると共に、上記オプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返してノズルに備えた小径のストレートの多重反射領域に導くテーパー状の反射面を備えたビームガイド部と、多重反射により光軸の周囲部分のビーム強度を平均化し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換して照射したワークの照射面の中心部にレーザビームと同軸方向から超音速で噴射される酸化促進ガスジェットの供給部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、レーザ発振器と、レーザ発振器において発振されたレーザビームの光軸の周囲部分を多重反射するための小径のストレートの多重反射孔を備えたノズルと、上記ノズルから噴射される酸化促進用のガスジェットの供給部とを備えているレーザ切断加工装置であって、前記レーザ発振器から発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備え、このオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返して前記多重反射孔に導くためのテーパー状の反射面を備え、前記多重反射孔から噴射されるガスジェットをほぼ平行状の噴流に保持し、かつ前記多重反射孔を経たレーザビームの径を上記ガスジェットの噴流の径よりも大径になるように拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換するために、ノズルの噴出口の内面を噴出口の出口側が次第に大径になるテーパー形状の反射面に形成してあることを特徴とするものである。
【００１４】
また、レーザビームの多重反射を行う小径のストレート部と、上記ストレート部で多重反射した後のレーザビームをさらに多重反射して上記ストレート部よりも大径のスポットとしてレーザビームをワークに照射するために、上記ストレート部の径よりはノズル照射口が大径になるようにノズル照射口側が次第に大径になるように、かつ内面を、レーザビームを反射する反射面に形成した照射口側テーパー部とを備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記レーザノズルにおいて、小径のストレート部のレーザ光の入口側に、前記ストレート部側が小径でかつ内面をレーザビームの反射面に形成したテーパー状の開口部を備えていることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本例に係るレーザ切断加工装置は、レーザビームＬＢを発振するレーザ発振器１と、上記レーザビームＬＢをレーザ加工ヘッド３方向へ反射するベンドミラー５を備えている。
【００２１】
前記レーザ加工ヘッド３は、レーザビームＬＢを囲繞した保護管７の先端部に適宜に接続してある。このレーザ加工ヘッド３はヘッド本体９を備えており、このヘッド本体９の上側に螺着したスリーブ１１に前記保護管７の端部が適宜に係合してある。
【００２２】
前記ヘッド本体９の下部にはノズルホルダ１３が着脱可能に螺着してあり、このノズルホルダ１３の下部にはレーザノズル１５が着脱可能に螺着固定してある。
【００２３】
さらに、前記ノズル本体９には、例えば酸素ガス或は空気等のアシストガス流入口１７が形成してあり、このアシストガス流入口１７には、前記レーザノズル１５からアシストガスをガスジェットとして噴射するためのガス供給部１９が接続してある。このガス供給部１９は、例えば高圧タンク或はコンプレッサよりなるものである。
【００２４】
上記ガス供給部１９から供給された高圧のアシストガスが前記保護管７側へ流出するのを防止するために、レーザビームＬＢを透過自在のオプチカルフラット２１がノズル本体９内に設けてある。
【００２５】
前記レーザノズル１５は、レーザビームＬＢを集光する機能を有するテーパー状の開口部２３を備えると共に、このテーパー状の部分に連続してレーザビームＬＢの光軸の周囲部分の多重反射を行う多重反射孔として小径のストレート部２５が適宜長さに亘って設けてある。そして、このストレート部２５の下部には、ワークＷへのレーザビームの照射径が多重反射孔の径より大径の所望径になるように、下端部のノズル照射口２７の径がストレート部２５の径より僅かに大径になるように、下端部側が次第に大径になるテーパ形状の噴射口として照射口側テーパー部２９が形成してある。
【００２６】
すなわちレーザノズル１５は、管の途中にスロート（ストレート部２５）をもつ中細ノズルであり、ダイバージェット又は広い意味でのラバルノズルと称されるものであって、アシストガスを亜音速から超音速に加速する機能を有するノズルである。
【００２７】
前記ノズルホルダ１３の内面は、レーザ発振器１から発振され、ベンドミラー５によって屈曲された大径のレーザビームＬＢを前記ストレート部２５へ指向集束せしめるようにテーパー状の反射面３１に形成してある。
【００２８】
また、前記ノズルホルダ１３の反射面３１およびレーザノズル１５におけるテーパー状の開口部２３，ストレート部２５および照射口側テーパー部２９の内面はそれぞれレーザビームＬＢを高反射するように仕上面精度を上げるか、例えば金メッキなどのごとく高反射材料のメッキを施すことが望ましい。
【００２９】
ここで、前記照射口側テーパ部（噴射口）２９は、前記ストレート部（多重反射孔）２５から噴射されるガスジェットをほぼ平行状に集束した態様の噴流に保持し、かつ前記ストレート部２５を経たレーザビームの径を上記ガスジェットの噴流の有効径（溶融金属を吹き飛すに充分な運動エネルギーを保有する流速の範囲）よりも大径になるように拡大する機能を有するものであって、テーパ形状に形成してある。
【００３０】
すなわち、ストレート部２５を経たレーザビームは回折によって自然に広がる傾向にあるが、前記噴射口２９は、回折により広がる場合よりもレーザビームの径をより大きく拡大するために、この噴射口２９内においてレーザビームが数回の反射を行う長さに設けてあり、かつ広がり角は所望の角度に設けてある。
【００３１】
以上のごとき構成において、レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬＢをベンドミラー５によってレーザ加工ヘッド３側へ反射すると、レーザビームＬＢは保護管７内を通過すると共にオプチカルフラット２１を透過し、レーザ発振器１から発振されたままの大径の状態でノズルホルダ１３におけるビームガイド部としてのテーパー状の反射面３１に照射される。
【００３２】
上記反射面３１に照射されたレーザビームＬＢはレーザノズル１５におけるビームガイド部としてのテーパー状の開口部２３側へ反射され、この開口部２３において適数回反射を繰り返して小径のストレート部２５に導入される。小径のストレート部２５に導入されたレーザビームＬＢは当該ストレート部２５において多重反射され光軸の周囲部分のビーム強度が平均化（均一化）される。
【００３３】
そして、上記ストレート部２５において多重反射して光軸の周囲部分のビーム強度が均一化されたレーザビームは照射孔側テーパ部２９においてさらに多重反射を繰り返しつつ次第に大径になり、前記ストレート部２５の径より大径の所望の径でもってワークＷの表面に照射される。
【００３４】
ところで、前記レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬＢは、図２に模式図のように示すように、テーパー状の開口部２３において複数回反射されて集光しストレート部２５へ導入され、この小径のストレート部２５において多重反射される。そして、照射孔側テーパ部２９において更に複数回反射され、ストレート部２５の径よりも大径に拡大されたスポットＳＰとしてワークＷの上面に照射される。
【００３５】
この際、前記ストレート部２５の径に相当する部分のレーザビームＬＢは多重反射されることなくレーザノズル１５を通過してワークＷの上面に照射される。そして、前記開口部２３において反射された光軸の周囲部分が小径のストレート部２５において多重反射されビーム強度が平均化された後、照射側テーパ部２９によって小径のストレート部２５より僅かに大径のスポットＳＰに拡大される。このスポットＳＰの部分のエネルギー分布は、前記照射側テーパ部２９の角度にもよるが、ほぼ平均化された状態にあるので全体的にエネルギー密度がほぼ等しい円柱形状Ｅ１を呈する。このエネルギー分布は、レーザビームをアクリルに照射したときのバーンパターンによって観察すると、図２の模式図に示すようにエネルギーボリュームの大きな円柱形状Ｅ１を呈することにより確認できる。なお、多重反射されることなくレーザノズル１５を通過した部分は、干渉を受けることによりエネルギー密度は、レーザ発振器１から発振されたときの軸心部のエネルギー密度よりも大きくなるが、エネルギーボリュームの小さな針状あるいはヒゲ状Ｅ２を呈する。
【００３６】
上述のごときエネルギー分布を呈する態様に変換されたレーザビームをワークＷに照射すると、エネルギー分布が円柱形状の部分Ｅ１はワークＷを溶融し蒸発させる程度にはエネルギー密度が大きくないので、ワークＷの照射面は溶融直前の発火点程度に加熱された状態となる。なお、レーザビームにおけるエネルギー密度がヒゲ状の部分Ｅ２はエネルギー密度は大きいもののエネルギーボリュームが小さいので、このヒゲ状の部分Ｅ２がワークＷに照射されても、切断に関与する全体のエネルギー量が小さいので、ワークＷが直ちに溶融切断可能になるものではない。
【００３７】
上述のごとくエネルギー密度の分布が円柱状を呈する態様に変換したレーザビームをワークＷの表面に照射すると同時に、ガス供給部１９から高圧の酸素ガスまたは空気のアシストガスを流入口１７からヘッド本体９内に供給すると、アシストガスは室９Ｃ内において高圧（５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2 ）となり、レーザノズル１５におけるストレート部２５において亜音速になり、ノズル照射口２５からは超音速（マッハ１以上）で前記照射面の中央部に噴射される。
【００３８】
上記ストレート部（多重反射孔）２５から噴射されるアシストガスのガスジェットＧは前記多重反射孔２５の径より僅かに大径になるものの、ほぼ平行状に集束した態様でかつワークＷの表面へ照射されたレーザビームのスポット（照射面）ＳＰの径より小径の噴流に保持されて、上記スポットＳＰの中央部に噴射される。なお、このガスジェットＧの広がり具合はシュリーレン法と称する流れの可視化の方法などによって確認できる。
【００３９】
ところで、前記照射孔側テーパ部２９が存在せずにストレート部２５がレーザノズル１５から直接開口された構成（前記先行例１のごとき構成）においてはレーザビームの広がりは回折による自然の広がりであってより大径にすることができず、またガスジェットは平行状に保持され難く大きく広がる傾向にあり、ワーク表面でのレーザビームの照射面よりもガスジェット径の方が大きくなるので、望ましいものではない。
【００４０】
前記ワークＷのレーザ照射面（スポット）は、レーザビームの照射によって全面的に溶融直前の発火点温度に達しており、この中央部に酸素ガスまたは空気のアシストガスがガスジェットとして噴射されるので、酸素によりワークＷの酸化反応が促進される。この酸化反応熱によってワークＷが溶融し、この溶融した部分がアシストガスのジェット流によって除去されて、ワークＷのレーザ切断が行われることとなる。
【００４１】
この際、発火点温度に達しているスポットの中央部に上記スポットの径より小径のガスジェットを噴射するものであるから、酸化反応を効果的に促進でき、この酸化反応熱によってワークＷを溶融し超音速のガスジェット全体によって溶融金属を除去できる。したがって、ガスジェット中の酸素との酸化反応熱によって次々に溶融すると同時に溶融部分全体を次々に効果的に飛散除去できるものであり、換言すれば、酸化反応熱の伝播速度とガスジェットの速度とが均衡し、上記酸化反応熱が周囲に大きく拡散する前に溶融金属を除去することとなり酸化反応熱による熱影響範囲を小さく抑制することができる。
【００４２】
また、ガスジェットはほぼ平行状に集束した態様に保持されるので、レーザノズル１５とワークＷとの間隔を比較的大きくすることが可能であると共に、ガスジェットの有効到達距離が長くなり、より厚いワークの切断を行うことができることになる。
【００４３】
本例によれば、集光レンズを有しないので従来に比較して構成が簡単になると共に、テーパー状のビームガイド部でもってレーザビームＬＢをストレート部２５に導く構成であるから、室９Ｃを高圧にすることによって、またオプチカルフラット２１が例えば熱変形することによってオプチカルフラット２１に歪みが生じた場合であっても、ストレート部２５へレーザビームを確実に導くことができる。
【００４４】
また、前記構成により室９Ｃ内を高圧にすることができ、レーザノズル１５からアシストガスをマッハ１以上の超音速で噴射することが可能となり、より厚いワークの切断を行うことができる。
【００４５】
ところで、本発明は、前記例に限るものではなく、適宜の変更を行うことによってはその他の態様でも実施可能である。例えばベンドミラー５とオプチカルフラット２１との間に焦点距離の長い集光レンズを配置して、レーザビームＬＢをレーザノズル１５におけるテーパー状の開口部２３へ照射するようにレーザビームＬＢを僅かに集束する構成とすることも可能である。また、ベンドミラー５を凹面鏡にして上述したようにレーザビームＬＢを集束してテーパー状の開口部２３へ照射する構成とすることも可能である。
【００４６】
さらに、オプチカルフラット２１に代えて当該部分に適宜焦点距離の集光レンズを採用してテーパー状の開口部２３へ照射することも可能である。
【００４７】
上述の場合、テーパー状の開口部２３の適宜位置に焦点が合う構成とすることができ、一旦集光されて広がりかけたレーザビームを反射させながらストレート部２５に導入することになり、開口部２３の径を前記例示の場合よりも小径とすることが可能であり、レーザ加工ヘッドの全体的構成の小型化を図ることができる。
【００４８】
要するに、集光レンズや凹面鏡を用いる場合であっても、多重反射を行う小径のストレート部２５へのレーザビームの導入はテーパー状の開口部２３によって行う構成とすることにより、例えば集光レンズやオプチカルフラット等に多少の歪みを生じても何等問題にすることなくストレート部２５へレーザビームＬＢを確実に導入することができるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、要するに請求項１に係る発明はによれば、酸化反応を効果的に促進でき、酸化反応熱によって溶融した部分の飛散除去にガスジェット全体を有効に利用できる。
【００５０】
したがって、酸化反応熱の影響範囲を小さく抑制してのレーザ切断を行うこができると共に、より厚いワークのレーザ切断を行うことができるものである。
【００５２】
すなわち、レーザビームの光軸の周囲部分のビーム強度を均一化しエネルギー分布を円柱状となしてワークへ照射した部分の中心部へ亜音速以上のガスジェットを噴射して酸化反応を促進し、かつマッハ１〜２程度のジェットガスによって溶融金属が吹き飛ばされるので、効率のよいレーザ切断を行うことができ、より厚い板の切断ができるものである。
【００５３】
請求項２に係る発明によれば、小径のストレートの多重反射領域へのレーザビームの導入が確実容易であると共に、ガス流を超音速にすることができ、より厚いワークの切断が可能である。
【００５６】
請求項３に係る発明によれば、ガスジェットは、レーザビームの照射によって発火点温度に達しているスポットの中央部に当該スポット径より小径の噴流として噴射されるものであり、ワークの酸化反応を効果的に促進することができる。そして、酸化反応熱によって溶融した金属の飛散除去にガスジェット全体が寄与することになり、溶融金属の除去を効果的に行うことができる。
【００５７】
よって、酸化反応熱による熱影響部を小さく抑制してのレーザ切断加工が可能であると共に、より厚いワークの切断を行うことができるものである。
【００５８】
請求項４に係る発明によれば、多重反射したレーザビームを拡大し、エネルギー分布が円柱状を呈する態様のレーザビームに変換できると共にガスジェットの広がりを抑制できるものである。
【００５９】
請求項５に係る発明によれば、集光レンズがない場合であっても、レーザ発振器から発振されたレーザビームを小径のストレート部に確実容易に導くことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ切断加工装置の概念的な説明図である。
【図２】レーザノズルにおけるレーザビームの反射およびエネルギー分布状態を模式図的に示した説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
３ レーザ加工ヘッド
５ ベンドミラー
１３ ノズルホルダ
１５ レーザノズル
１９ ガス供給部
２１ オプチカルフラット
２３ テーパ状の開口部
２５ 小径のストレート部
２７ 照射口
２９ 照射口側テーパー部
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ切断加工方法及び装置並びに同加工方法に使用するレーザノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ切断加工方法として、レーザビームを集光レンズによって集光してワークへ照射し、かつアシストガスとして酸素または空気を使用し、ワークと酸素との酸化反応による熱を利用してワークを溶融し、溶融した金属をアシストガスによって吹き飛ばすことによるレーザ切断が行われている。
【０００３】
そして、従来は、ワークが薄板や厚板によって焦点距離の異なる集光レンズを使用し、また集光レンズの焦点位置を、ワーク表面、ワーク表面の上方位置およびワーク表面の下方位置等に位置調節してレーザ切断を行っている。さらに、ビームモードとしてはシングルモードのレーザビームを推奨し、かつ加工条件によってはパルスレーザ等が使用されている。
【０００４】
ところで、シングルモードの場合にはレーザ発振器からの距離等に拘りなく常にシングルモードを維持するので扱い易い反面、大出力になると、光軸付近の強度が高くなり集光レンズや反射鏡に熱変形や損傷を与えることがある。
【０００５】
そこで、レーザビームのシングルモードやマルチモードに拘りなく、レーザビームを小径の円筒状の内面鏡内に導き多重反射させてレーザ切断加工等を行う技術が開発されている。この技術に関する先行例として、例えば特開平４−１３４９３号公報（先行例１）がある。また類似の先行例として特開平３−２３０８８６号公報（先行例２）がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記先行例１の構成は、レーザ発振器において発振された大径（１６ｍｍ）のレーザビームを集光レンズによって集光し、例えば入口直径が０．４ｍｍで長さが１５．０８ｍｍの円形の直管又は適宜形状のテーパ状の内面鏡内に導入し、この内面鏡内において多重反射させた後、ワークに直接照射してレーザ切断加工を行う構成である。
【０００７】
上記構成においては、一般的なレーザ加工機におけるノズル径（１．５φ〜３．０φ程度）に比較して内面鏡の内径が小さくかつ長いので、内面鏡から高圧のアシストガスを噴射しようとすると、集光レンズ等を備えた加工ヘッド内の内圧が高くなり、場合によっては保持部を含む集光レンズ等の光学要素に歪みを与え、焦点位置がずれて内面鏡内へレーザビームを良好に導入できなくなることがあり、より厚いワークのレーザ切断を行う上において問題がある。
【０００８】
また、先行例１においては、カライドスコープを用いることによって、中心部にエネルギーが飛躍的に集中するような形態（中心ピークが極めて細い形態）のエネルギー分布を呈するレーザビームに変換するものである。したがって、レーザビームの軸心部のエネルギー密度が極めて高くなるものの全体として中心ピークが極めて細い針状を呈することとなり、エネルギーボリュームは小さなものである。よって、小径の孔加工には有効であるものの、厚板の切断を能率良く行う上においては問題がある。
【０００９】
前記先行例２の構成は、入口が大きく出口の径を穿孔しようとする微細孔の孔径と略同径の小径に形成したテーパ状の集光コーン内にレーザビームを導入し、レーザビームを次第に集束し、出口からプリント基板にレーザビームを照射して出口とほぼ同径の穿孔加工を行おうとするものである。
【００１０】
上記先行例２の構成においては、集光コーンの出口へレーザビームを単に集光しようとする構成であるから、充分な多重反射が行われ得ないものであり、レーザ強度の平均化を図る上において問題がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームを、ノズルに備えたテーパー状の反射面において反射を繰り返して上記ノズルの小径のストレート部に導入し光軸の周囲部分を多重反射させてレーザビームの光軸周囲部分のビーム強度の均一化を図り、このビーム強度を平均化したレーザビームの径を、前記ノズルから噴射されるガスジェットの径よりも大径になるように僅かに拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームとしてワーク表面に照射し、このレーザビームの照射面の中心部に酸化促進ガスジュットの流速を亜音速以上に保持して噴射し、ワークの酸化反応による熱によってワークを溶融し、その溶融部分を前記ガスジェットにより除去することを特徴とするものである。
【００１２】
また、レーザ発振器と、レーザ発振器において発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備えると共に、上記オプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返してノズルに備えた小径のストレートの多重反射領域に導くテーパー状の反射面を備えたビームガイド部と、多重反射により光軸の周囲部分のビーム強度を平均化し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換して照射したワークの照射面の中心部にレーザビームと同軸方向から超音速で噴射される酸化促進ガスジェットの供給部と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
また、レーザ発振器と、レーザ発振器において発振されたレーザビームの光軸の周囲部分を多重反射するための小径のストレートの多重反射孔を備えたノズルと、上記ノズルから噴射される酸化促進用のガスジェットの供給部とを備えているレーザ切断加工装置であって、前記レーザ発振器から発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備え、このオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返して前記多重反射孔に導くためのテーパー状の反射面を備え、前記多重反射孔から噴射されるガスジェットをほぼ平行状の噴流に保持し、かつ前記多重反射孔を経たレーザビームの径を上記ガスジェットの噴流の径よりも大径になるように拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換するために、ノズルの噴出口の内面を噴出口の出口側が次第に大径になるテーパー形状の反射面に形成してあることを特徴とするものである。
【００１４】
また、レーザビームの多重反射を行う小径のストレート部と、上記ストレート部で多重反射した後のレーザビームをさらに多重反射して上記ストレート部よりも大径のスポットとしてレーザビームをワークに照射するために、上記ストレート部の径よりはノズル照射口が大径になるようにノズル照射口側が次第に大径になるように、かつ内面を、レーザビームを反射する反射面に形成した照射口側テーパー部とを備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、前記レーザノズルにおいて、小径のストレート部のレーザ光の入口側に、前記ストレート部側が小径でかつ内面をレーザビームの反射面に形成したテーパー状の開口部を備えていることを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本例に係るレーザ切断加工装置は、レーザビームＬＢを発振するレーザ発振器１と、上記レーザビームＬＢをレーザ加工ヘッド３方向へ反射するベンドミラー５を備えている。
【００２１】
前記レーザ加工ヘッド３は、レーザビームＬＢを囲繞した保護管７の先端部に適宜に接続してある。このレーザ加工ヘッド３はヘッド本体９を備えており、このヘッド本体９の上側に螺着したスリーブ１１に前記保護管７の端部が適宜に係合してある。
【００２２】
前記ヘッド本体９の下部にはノズルホルダ１３が着脱可能に螺着してあり、このノズルホルダ１３の下部にはレーザノズル１５が着脱可能に螺着固定してある。
【００２３】
さらに、前記ノズル本体９には、例えば酸素ガス或は空気等のアシストガス流入口１７が形成してあり、このアシストガス流入口１７には、前記レーザノズル１５からアシストガスをガスジェットとして噴射するためのガス供給部１９が接続してある。このガス供給部１９は、例えば高圧タンク或はコンプレッサよりなるものである。
【００２４】
上記ガス供給部１９から供給された高圧のアシストガスが前記保護管７側へ流出するのを防止するために、レーザビームＬＢを透過自在のオプチカルフラット２１がノズル本体９内に設けてある。
【００２５】
前記レーザノズル１５は、レーザビームＬＢを集光する機能を有するテーパー状の開口部２３を備えると共に、このテーパー状の部分に連続してレーザビームＬＢの光軸の周囲部分の多重反射を行う多重反射孔として小径のストレート部２５が適宜長さに亘って設けてある。そして、このストレート部２５の下部には、ワークＷへのレーザビームの照射径が多重反射孔の径より大径の所望径になるように、下端部のノズル照射口２７の径がストレート部２５の径より僅かに大径になるように、下端部側が次第に大径になるテーパ形状の噴射口として照射口側テーパー部２９が形成してある。
【００２６】
すなわちレーザノズル１５は、管の途中にスロート（ストレート部２５）をもつ中細ノズルであり、ダイバージェット又は広い意味でのラバルノズルと称されるものであって、アシストガスを亜音速から超音速に加速する機能を有するノズルである。
【００２７】
前記ノズルホルダ１３の内面は、レーザ発振器１から発振され、ベンドミラー５によって屈曲された大径のレーザビームＬＢを前記ストレート部２５へ指向集束せしめるようにテーパー状の反射面３１に形成してある。
【００２８】
また、前記ノズルホルダ１３の反射面３１およびレーザノズル１５におけるテーパー状の開口部２３，ストレート部２５および照射口側テーパー部２９の内面はそれぞれレーザビームＬＢを高反射するように仕上面精度を上げるか、例えば金メッキなどのごとく高反射材料のメッキを施すことが望ましい。
【００２９】
ここで、前記照射口側テーパ部（噴射口）２９は、前記ストレート部（多重反射孔）２５から噴射されるガスジェットをほぼ平行状に集束した態様の噴流に保持し、かつ前記ストレート部２５を経たレーザビームの径を上記ガスジェットの噴流の有効径（溶融金属を吹き飛すに充分な運動エネルギーを保有する流速の範囲）よりも大径になるように拡大する機能を有するものであって、テーパ形状に形成してある。
【００３０】
すなわち、ストレート部２５を経たレーザビームは回折によって自然に広がる傾向にあるが、前記噴射口２９は、回折により広がる場合よりもレーザビームの径をより大きく拡大するために、この噴射口２９内においてレーザビームが数回の反射を行う長さに設けてあり、かつ広がり角は所望の角度に設けてある。
【００３１】
以上のごとき構成において、レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬＢをベンドミラー５によってレーザ加工ヘッド３側へ反射すると、レーザビームＬＢは保護管７内を通過すると共にオプチカルフラット２１を透過し、レーザ発振器１から発振されたままの大径の状態でノズルホルダ１３におけるビームガイド部としてのテーパー状の反射面３１に照射される。
【００３２】
上記反射面３１に照射されたレーザビームＬＢはレーザノズル１５におけるビームガイド部としてのテーパー状の開口部２３側へ反射され、この開口部２３において適数回反射を繰り返して小径のストレート部２５に導入される。小径のストレート部２５に導入されたレーザビームＬＢは当該ストレート部２５において多重反射され光軸の周囲部分のビーム強度が平均化（均一化）される。
【００３３】
そして、上記ストレート部２５において多重反射して光軸の周囲部分のビーム強度が均一化されたレーザビームは照射孔側テーパ部２９においてさらに多重反射を繰り返しつつ次第に大径になり、前記ストレート部２５の径より大径の所望の径でもってワークＷの表面に照射される。
【００３４】
ところで、前記レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬＢは、図２に模式図のように示すように、テーパー状の開口部２３において複数回反射されて集光しストレート部２５へ導入され、この小径のストレート部２５において多重反射される。そして、照射孔側テーパ部２９において更に複数回反射され、ストレート部２５の径よりも大径に拡大されたスポットＳＰとしてワークＷの上面に照射される。
【００３５】
この際、前記ストレート部２５の径に相当する部分のレーザビームＬＢは多重反射されることなくレーザノズル１５を通過してワークＷの上面に照射される。そして、前記開口部２３において反射された光軸の周囲部分が小径のストレート部２５において多重反射されビーム強度が平均化された後、照射側テーパ部２９によって小径のストレート部２５より僅かに大径のスポットＳＰに拡大される。このスポットＳＰの部分のエネルギー分布は、前記照射側テーパ部２９の角度にもよるが、ほぼ平均化された状態にあるので全体的にエネルギー密度がほぼ等しい円柱形状Ｅ１を呈する。このエネルギー分布は、レーザビームをアクリルに照射したときのバーンパターンによって観察すると、図２の模式図に示すようにエネルギーボリュームの大きな円柱形状Ｅ１を呈することにより確認できる。なお、多重反射されることなくレーザノズル１５を通過した部分は、干渉を受けることによりエネルギー密度は、レーザ発振器１から発振されたときの軸心部のエネルギー密度よりも大きくなるが、エネルギーボリュームの小さな針状あるいはヒゲ状Ｅ２を呈する。
【００３６】
上述のごときエネルギー分布を呈する態様に変換されたレーザビームをワークＷに照射すると、エネルギー分布が円柱形状の部分Ｅ１はワークＷを溶融し蒸発させる程度にはエネルギー密度が大きくないので、ワークＷの照射面は溶融直前の発火点程度に加熱された状態となる。なお、レーザビームにおけるエネルギー密度がヒゲ状の部分Ｅ２はエネルギー密度は大きいもののエネルギーボリュームが小さいので、このヒゲ状の部分Ｅ２がワークＷに照射されても、切断に関与する全体のエネルギー量が小さいので、ワークＷが直ちに溶融切断可能になるものではない。
【００３７】
上述のごとくエネルギー密度の分布が円柱状を呈する態様に変換したレーザビームをワークＷの表面に照射すると同時に、ガス供給部１９から高圧の酸素ガスまたは空気のアシストガスを流入口１７からヘッド本体９内に供給すると、アシストガスは室９Ｃ内において高圧（５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ2 ）となり、レーザノズル１５におけるストレート部２５において亜音速になり、ノズル照射口２５からは超音速（マッハ１以上）で前記照射面の中央部に噴射される。
【００３８】
上記ストレート部（多重反射孔）２５から噴射されるアシストガスのガスジェットＧは前記多重反射孔２５の径より僅かに大径になるものの、ほぼ平行状に集束した態様でかつワークＷの表面へ照射されたレーザビームのスポット（照射面）ＳＰの径より小径の噴流に保持されて、上記スポットＳＰの中央部に噴射される。なお、このガスジェットＧの広がり具合はシュリーレン法と称する流れの可視化の方法などによって確認できる。
【００３９】
ところで、前記照射孔側テーパ部２９が存在せずにストレート部２５がレーザノズル１５から直接開口された構成（前記先行例１のごとき構成）においてはレーザビームの広がりは回折による自然の広がりであってより大径にすることができず、またガスジェットは平行状に保持され難く大きく広がる傾向にあり、ワーク表面でのレーザビームの照射面よりもガスジェット径の方が大きくなるので、望ましいものではない。
【００４０】
前記ワークＷのレーザ照射面（スポット）は、レーザビームの照射によって全面的に溶融直前の発火点温度に達しており、この中央部に酸素ガスまたは空気のアシストガスがガスジェットとして噴射されるので、酸素によりワークＷの酸化反応が促進される。この酸化反応熱によってワークＷが溶融し、この溶融した部分がアシストガスのジェット流によって除去されて、ワークＷのレーザ切断が行われることとなる。
【００４１】
この際、発火点温度に達しているスポットの中央部に上記スポットの径より小径のガスジェットを噴射するものであるから、酸化反応を効果的に促進でき、この酸化反応熱によってワークＷを溶融し超音速のガスジェット全体によって溶融金属を除去できる。したがって、ガスジェット中の酸素との酸化反応熱によって次々に溶融すると同時に溶融部分全体を次々に効果的に飛散除去できるものであり、換言すれば、酸化反応熱の伝播速度とガスジェットの速度とが均衡し、上記酸化反応熱が周囲に大きく拡散する前に溶融金属を除去することとなり酸化反応熱による熱影響範囲を小さく抑制することができる。
【００４２】
また、ガスジェットはほぼ平行状に集束した態様に保持されるので、レーザノズル１５とワークＷとの間隔を比較的大きくすることが可能であると共に、ガスジェットの有効到達距離が長くなり、より厚いワークの切断を行うことができることになる。
【００４３】
本例によれば、集光レンズを有しないので従来に比較して構成が簡単になると共に、テーパー状のビームガイド部でもってレーザビームＬＢをストレート部２５に導く構成であるから、室９Ｃを高圧にすることによって、またオプチカルフラット２１が例えば熱変形することによってオプチカルフラット２１に歪みが生じた場合であっても、ストレート部２５へレーザビームを確実に導くことができる。
【００４４】
また、前記構成により室９Ｃ内を高圧にすることができ、レーザノズル１５からアシストガスをマッハ１以上の超音速で噴射することが可能となり、より厚いワークの切断を行うことができる。
【００４５】
ところで、本発明は、前記例に限るものではなく、適宜の変更を行うことによってはその他の態様でも実施可能である。例えばベンドミラー５とオプチカルフラット２１との間に焦点距離の長い集光レンズを配置して、レーザビームＬＢをレーザノズル１５におけるテーパー状の開口部２３へ照射するようにレーザビームＬＢを僅かに集束する構成とすることも可能である。また、ベンドミラー５を凹面鏡にして上述したようにレーザビームＬＢを集束してテーパー状の開口部２３へ照射する構成とすることも可能である。
【００４６】
さらに、オプチカルフラット２１に代えて当該部分に適宜焦点距離の集光レンズを採用してテーパー状の開口部２３へ照射することも可能である。
【００４７】
上述の場合、テーパー状の開口部２３の適宜位置に焦点が合う構成とすることができ、一旦集光されて広がりかけたレーザビームを反射させながらストレート部２５に導入することになり、開口部２３の径を前記例示の場合よりも小径とすることが可能であり、レーザ加工ヘッドの全体的構成の小型化を図ることができる。
【００４８】
要するに、集光レンズや凹面鏡を用いる場合であっても、多重反射を行う小径のストレート部２５へのレーザビームの導入はテーパー状の開口部２３によって行う構成とすることにより、例えば集光レンズやオプチカルフラット等に多少の歪みを生じても何等問題にすることなくストレート部２５へレーザビームＬＢを確実に導入することができるものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、要するに請求項１に係る発明はによれば、酸化反応を効果的に促進でき、酸化反応熱によって溶融した部分の飛散除去にガスジェット全体を有効に利用できる。
【００５０】
したがって、酸化反応熱の影響範囲を小さく抑制してのレーザ切断を行うこができると共に、より厚いワークのレーザ切断を行うことができるものである。
【００５２】
すなわち、レーザビームの光軸の周囲部分のビーム強度を均一化しエネルギー分布を円柱状となしてワークへ照射した部分の中心部へ亜音速以上のガスジェットを噴射して酸化反応を促進し、かつマッハ１〜２程度のジェットガスによって溶融金属が吹き飛ばされるので、効率のよいレーザ切断を行うことができ、より厚い板の切断ができるものである。
【００５３】
請求項２に係る発明によれば、小径のストレートの多重反射領域へのレーザビームの導入が確実容易であると共に、ガス流を超音速にすることができ、より厚いワークの切断が可能である。
【００５６】
請求項３に係る発明によれば、ガスジェットは、レーザビームの照射によって発火点温度に達しているスポットの中央部に当該スポット径より小径の噴流として噴射されるものであり、ワークの酸化反応を効果的に促進することができる。そして、酸化反応熱によって溶融した金属の飛散除去にガスジェット全体が寄与することになり、溶融金属の除去を効果的に行うことができる。
【００５７】
よって、酸化反応熱による熱影響部を小さく抑制してのレーザ切断加工が可能であると共に、より厚いワークの切断を行うことができるものである。
【００５８】
請求項４に係る発明によれば、多重反射したレーザビームを拡大し、エネルギー分布が円柱状を呈する態様のレーザビームに変換できると共にガスジェットの広がりを抑制できるものである。
【００５９】
請求項５に係る発明によれば、集光レンズがない場合であっても、レーザ発振器から発振されたレーザビームを小径のストレート部に確実容易に導くことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ切断加工装置の概念的な説明図である。
【図２】レーザノズルにおけるレーザビームの反射およびエネルギー分布状態を模式図的に示した説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
３ レーザ加工ヘッド
５ ベンドミラー
１３ ノズルホルダ
１５ レーザノズル
１９ ガス供給部
２１ オプチカルフラット
２３ テーパ状の開口部
２５ 小径のストレート部
２７ 照射口
２９ 照射口側テーパー部
Claims (5)
- レーザ発振器から発振されオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームを、ノズルに備えたテーパー状の反射面において反射を繰り返して上記ノズルの小径のストレート部に導入し光軸の周囲部分を多重反射させてレーザビームの光軸周囲部分のビーム強度の均一化を図り、このビーム強度を平均化したレーザビームの径を、前記ノズルから噴射されるガスジェットの径よりも大径になるように僅かに拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームとしてワーク表面に照射し、このレーザビームの照射面の中心部に酸化促進ガスジュットの流速を亜音速以上に保持して噴射し、ワークの酸化反応による熱によってワークを溶融し、その溶融部分を前記ガスジェットにより除去することを特徴とするレーザ切断加工方法。
- レーザ発振器と、レーザ発振器において発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備えると共に、上記オプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返してノズルに備えた小径のストレートの多重反射領域に導くテーパー状の反射面を備えたビームガイド部と、多重反射により光軸の周囲部分のビーム強度を平均化し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換して照射したワークの照射面の中心部にレーザビームと同軸方向から超音速で噴射される酸化促進ガスジェットの供給部と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
- レーザ発振器と、レーザ発振器において発振されたレーザビームの光軸の周囲部分を多重反射するための小径のストレートの多重反射孔を備えたノズルと、上記ノズルから噴射される酸化促進用のガスジェットの供給部とを備えているレーザ切断加工装置であって、前記レーザ発振器から発振された大径のレーザビームを透過自在なオプチカルフラット又は集光レンズを備え、このオプチカルフラット又は集光レンズを透過した大径のレーザビームの反射を繰り返して前記多重反射孔に導くためのテーパー状の反射面を備え、前記多重反射孔から噴射されるガスジェットをほぼ平行状の噴流に保持し、かつ前記多重反射孔を経たレーザビームの径を上記ガスジェットの噴流の径よりも大径になるように拡大し、ワーク表面に照射されるスポット部分のエネルギー分布は全体的にエネルギー密度がほぼ等しい態様のレーザビームに変換するために、ノズルの噴出口の内面を噴出口の出口側が次第に大径になるテーパー形状の反射面に形成してあることを特徴とするレーザ切断加工装置。
- レーザビームの多重反射を行う小径のストレート部と、上記ストレート部で多重反射した後のレーザビームをさらに多重反射して上記ストレート部よりも大径のスポットとしてレーザビームをワークに照射するために、上記ストレート部の径よりはノズル照射口が大径になるようにノズル照射口側が次第に大径になるように、かつ内面を、レーザビームを反射する反射面に形成した照射口側テーパー部とを備えていることを特徴とするレーザノズル。
- 請求項４に記載の発明において、小径のストレート部のレーザ光の入口側に、前記ストレート部側が小径でかつ内面をレーザビームの反射面に形成したテーパー状の開口部を備えていることを特徴とするレーザノズル。
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