JP4555743B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、短焦点のレーザ加工装置での加工の際に発生するスパッタやヒュームが保護ガラス表面を損傷するのを効果的に防止するレーザ加工ヘッドに関する。

通常、レーザ加工ヘッドには、レーザビームの集光レンズを保護する保護ガラスが設けられている。
レーザ加工の際に被加工部付近で発生するスパッタ（溶滴）やヒューム（金属粉）がレーザ本体内部へ侵入し、保護ガラス表面に飛散、付着することにより、以下のような問題が発生していた。
すなわち、スパッタの場合、粒子径が大きく、飛散速度が速いことから、保護ガラス表面に一度に大きなダメージを与えてしまい、その都度、保護ガラスを交換しなければならなかった。また、ヒュームの場合、細かく飛散して保護ガラス表面の広範囲に徐々にダメージを蓄積し、これに伴い、透過率が徐々に低下し、溶接不良を引き起こしていた。さらに、スパッタやヒュームが保護ガラス表面に飛散し、付着することで保護ガラスの発熱が促進され、保護ガラスの割れや損傷を引き起こしていた。

このような保護ガラスの損傷を防止する手段としては、従来、複数種類のガスを用い、多段階の内部ブローを構成する手段が知られている。このような技術の例としては、特開平１１−２２６７７０号公報に開示されるようなものがある。
特開平１１−２２６７７０号

このレーザ加工ヘッドは、ノズルを多重構造として、ノズル内部に複数種類のガスを供給し流下させることで、被加工部のシールドと併せて、スパッタがノズル内部に侵入するのを防止している。すなわち、特開平１１―２２６７７０号公報に開示されるレーザ加工ヘッドは、ノズルを２重構造として、内側から常温のアルゴンガスを供給し、外側からは冷却した窒素ガスを供給し、供給通路を仕切る壁に複数の連通孔を設け、前記アルゴンガスと連通孔から供給される窒素ガスによりスパッタがノズル内部に侵入するのを防止し、前記窒素ガスにより、被加工部で発生するスパッタを冷却し、固化させている。

しかしながら、従来の前記レーザ加工ヘッドでは、被加工部のシールドとスパッタのノズル内部への侵入防止の双方のために、ノズル内部へアシストガスを供給しなければならず、多量のアシストガスを使用する必要があった。
また、特開平１１−２２６７７０号公報に開示されるレーザ加工ヘッドでは、長焦点のレーザビームを使用するレーザ加工装置において、その焦点距離が長いことを活かして、多段階の内部ブローを構成し、スパッタの侵入を効果的に防止している。
しかしながら、例えば、半導体レーザのような短焦点のレーザビームを使用するレーザ加工装置の場合、焦点距離が短いため、このような複雑な内部ブローを適用することはできない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、アシストガスを用いることなく、確実にスパッタおよびヒュームによる保護ガラスの損傷を防止することができ、また、短焦点のレーザ加工装置にも適用可能なレーザ加工ヘッドを提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため本発明のレーザ加工ヘッドは、レーザビームを照射して、被加工物を加工するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドであって、前記レーザビームが内部を通過し、内面に円錐面を有する筒状のノズル本体と、前記ノズル本体の内面に沿ってカーテン状にエアが流れるようにエアを噴出するエア供給部と、前記被加工物の被加工部へアシストガスを供給するガス供給部とを備え、前記ガス供給部は、前記アシストガスが前記カーテン状のエアの焦点と前記被加工部の間を通過するように配置されたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、円錐面上をカーテン状に流下するようにエアを噴出するエア供給部を設けたことで、エア供給部から噴出されたカーテン状のエアがノズル本体内部とノズル本体外部とを遮断する膜となるため、アシストガスを使用することなく、スパッタおよびヒュームがノズル本体内部へ侵入することを防止することができる。また、アシストガスを被加工部へ直接供給することにより、従来技術のようにノズル本体内部へ供給し、流下させる場合と比べて、アシストガスの使用量を格段に抑えることができる。
また、内部構造が簡素化されることで、短焦点のレーザ加工装置にも適用することができる。
さらに、アシストガスは被加工部に向けて噴射され、カーテン状のエアの焦点と被加工部との間を通過するため、エアの焦点によりアシストガスが被加工部表面に膜状に押し付けられることとなる。さらにまた、その後進行方向に流下したエアによっても、アシストガスが複数箇所から被加工部側に押し付けられることとなる。
このように、アシストガスの使用量を変えることなく、アシストガスによるシールド力を高めることができる。
なお、本願でいうアシストガスは、エアを除き、レーザ加工の際、被加工部の雰囲気を調整するためにエアとは別に供給されるガスをいう。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記ノズル本体は、前記レーザビームを集束させる集光レンズを保護する保護ガラスを備え、前記保護ガラスに向けてエアを供給するエア供給部を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、エアが保護ガラスに向けて噴出されることから、噴出されたエアは保護ガラス表面に衝突後、流下することとなり、保護ガラス表面を覆うように流下することとなる。これにより、仮にスパッタおよびヒュームがレーザ本体内部に侵入したとしても、保護ガラス表面にまで到達せずに、弾き落とされることとなり、アシストガスを用いることなく、スパッタおよびヒュームが保護ガラス表面に飛散し、付着することをより確実に防止することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記ガス供給部と対向して配置され、前記被加工部付近の気体を吸引することにより、前記被加工部付近のスパッタおよびヒュームを吸引する吸引管を設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、ガス供給部と対向する位置に設けた吸引管により、被加工物付近の気体が吸引され、これにより、被加工部で発生するスパッタおよびヒュームも気体と一緒に吸引管内部へ吸引されることとなり、アシストガスを用いることなく、スパッタおよびヒュームがノズル本体内部に侵入することを確実に防止することができる。

請求項１に記載の発明によれば、エアが円錐面上をカーテン状に流下することにより、ノズル本体内部とノズル本体外部とを遮断し、ノズル本体内部にスパッタおよびヒュームが侵入することを防止することができる。また、アシストガスを被加工部へ直接供給することにより、ガスの使用を抑えつつ、被加工部をシールドすることができる。これにより、多量のガスを準備・使用する必要が無くなり、費用を抑えることができる。
また、内部構造を複雑にしなくても、十分な内部ブロー性が得られるため、短焦点のレーザ加工装置にも適用することができる。
さらに、アシストガスの流路を調整することで、より被加工部のシールド効果が高くなる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、保護ガラス表面へエアを供給することにより、エアが保護ガラス表面に衝突して流下することとなり、仮にスパッタおよびヒュームがノズル内部に侵入したとしても、保護ガラス内部に到達することが無い。また、流下したエアが、カーテン状に流下するエアと集束することにより、レーザ内部とレーザ外部との間がさらに強固に遮断されることとなり、スパッタおよびヒュームがレーザ内部へ侵入することを防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明の効果に加え、ガス供給部と対向する位置に吸引管を設けたことにより、被加工部で発生するスパッタおよびヒュームが吸引され、内部構造を複雑にしなくても、スパッタおよびヒュームがノズル内部に侵入することを確実に防止することができ、短焦点のレーザ加工装置にも適用することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工ヘッドの第１の実施形態の詳細について説明する。参照する図面において、図１（ａ）は、本発明に係るレーザ加工ヘッドの概略断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）における、エアＡ１の供給部付近の拡大図である。図２は、図１（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
図３は、図１におけるＦ２付近のエアの流れを示す拡大図である。図４は、吸引管の他の実施形態を示す概略断面図である。

図１（ａ）に示すレーザ加工ヘッドＬは、ノズル本体１と、集光レンズ２と、保護ガラス３と、ガス供給部４１と、吸引管５１と、図示しないレーザ照射部とを主に有して構成されている。
レーザ照射部（図示しない）から照射されたレーザビームＬＢは、集光レンズ２を通って集光され、保護ガラス３、ノズル本体１の内部を通過して被加工物Ｗ上の被加工部である溶接線４（以下、「溶接線４」という）で焦点Ｆ１を結び、被加工物Ｗを加工する。

ノズル本体１は、筒状であって、内部には、溶接線４に向けて先細りとなる内向きのテーパ面３５を有する。ノズル本体１は、基端部２０と先端部３０とに分けられて構成されており、基端部２０は、フランジ部２２により支持板５に支持される。

エア供給部３１は、テーパ面３５に沿ってカーテン状のエアを噴出する部分であり、テーパ面３５の上部に設けられた噴出通路Ｓ１からエアＡ１を噴き出すように構成されている。
この噴出通路Ｓ１には、エア供給源８からエアＡ１が供給される。
より具体的に説明すると、まず、噴出通路Ｓ１は、先端部３０が有する内向きのテーパ面３５と、テーパ面３５より僅かに小径で、基端部２０が有する外向きのテーパ面２５とが対面してできたテーパ状の隙間として形成されている。噴出通路Ｓ１の上端は、基端部２０の下面に形成されたリング状の溝からなるリング通路２３に開口している。また、先端部３０には、先端部３０の上面と側面に開口する連通孔３３が形成されており、連通孔３３の上端がリング通路２３に開口している。
一方、エア供給源８は、エア配管６を介してジョイント３２に接続され、ジョイント３２が前記した連通孔３３の側面への開口に接続されている。

エア供給部２１は、保護ガラス３の表面に向けてエアを噴出する部分であり、ノズル本体１の基端部２０に設けられた噴出通路Ｓ２からエアＡ２を噴き出すように構成されている。この噴出通路Ｓ２には、エア供給源９からエアＡ２が供給される。
噴出通路Ｓ２の上端は、保護ガラス３側に向けて開口しており、下端は、基端部２０の下面に形成されたリング状の溝からなるリング通路２４に開口し、これらを繋ぐ胴部は基端部２０を斜めに貫通している。また、図２に示すように、噴出通路Ｓ２は、基端部２０の全周にわたって等間隔で配置されている。
また、先端部３０には、先端部３０の上面と側面に開口する連通孔３７が形成されており、連通孔３７の上端がリング通路２４に開口している。
一方、エア供給源９は、エア配管７を介して、ジョイント３６に接続され、このジョイント３６が前記した連通孔３７の側面への開口に接続されている。

ガス供給部４１は、溶接線４に向けてアシストガスＧを噴出する部分であり、アシストガス供給源４５、ガス配管４４、ジョイント４３、ガスノズル４０とからなっている。ガスノズル４０は、アシストガスＧを溶接線４へ向けて送る貫通した通路４２を有し、ノズル本体１の先端部３０の下端部に接続されている。
アシストガス供給源４５は、ガス配管４４を介してジョイント４３に接続され、ジョイント４３は、通路４２の基端に接続されている。通路４２の先端は、溶接線４に向けて開口している。

吸引管５１は、溶接線４で発生するスパッタＳやヒュームＨを吸引する部分であり、接続部材５０を介してノズル本体１に接続される。
吸引管５１は、ガス供給部４１と対向する位置に配置され、先端の吸引口５２は溶接線４に向けて配置される。また、吸引管５１には、エア配管５３を介してエア吸引源５４が接続される。

このように構成されたレーザ加工ヘッドＬは、以下のように作用する。
図１に示すように、リング通路２３から噴出されたエアＡ１は、噴出通路Ｓ１を通って、ノズル本体１の内部のテーパ面３５に沿って密度を増しながらカーテン状に流下する。そして、カーテン状に流下したエアＡ１は、延長線上のノズル本体１の外部で、集束し、焦点Ｆ２を結ぶ。

Ｆ２で焦点を結んだエアＡ１は、そのまま流下するものと、集束による衝撃で、進路を変えて進むものとに拡散し、アシストガスＧを押圧する。

カーテン状に流れつつ集束するエアＡ１により、ノズル本体１の内部がノズル本体１の外部と遮断され、溶接線４で発生したスパッタＳやヒュームＨがノズル本体１の内部側に飛散しても、集束したエアＡ１により形成されるエアの壁に弾かれて、ノズル本体１の内部へ侵入することが無い。

アシストガスＧは、通路４２の先端の開口から溶接線４に向けて噴出され、溶接線４の表面を膜状に流れて溶接線４をシールドする。
アシストガスＧは、例えば、アルゴンガス、窒素ガスなどが該当するが、これに限られるものではない。このとき、エアＡ１の焦点Ｆ２がレーザビームＬＢの光軸上にあり、かつ、アシストガスＧの流路より上部にあると、焦点Ｆ２により、アシストガスＧが溶接線４へ向けて押圧されることとなり、溶接線４付近のシールド性がより向上する。

エアＡ２は、噴出通路Ｓ２から保護ガラス３の表面へ噴出され、保護ガラス３の表面に衝突後、跳ね返って、ノズル本体１の内部を密度を増しながら流下し、ノズル本体１の外部でエアＡ１と集束して焦点Ｆ２を結ぶ。Ｆ２で焦点を結んだエアＡ２は、そのまま流下するものと、集束による衝撃で、進路を変えて進むものとに拡散し、アシストガスＧを押圧する。

図３は、集束したエアＡ１とエアＡ２とにより、スパッタＳやヒュームＨが弾かれる様子を示している。このように、エアＡ２がエアＡ１と焦点Ｆ２で集束することにより、焦点Ｆ２付近のエアの密度が高くなり、より一層、ノズル本体１の内部とノズル本体１の外部との遮断性が向上する。

また、このとき、エアＡ１とエアＡ２の焦点Ｆ２が、レーザビームＬＢの光軸上にあり、かつ、アシストガスＧの流路より上部にあると、焦点Ｆ２によりアシストガスＧを溶接線４側へ押圧するのに最適な配置となる。すなわち、エアＡ２が加わることで、前記したエアＡ１のみの場合と比べて、アシストガスＧを溶接線４側へ押圧する力はより強くなり、かつ、エアＡ１とエアＡ２の焦点Ｆ２がレーザビームＬＢの光軸上にあることで、焦点Ｆ２により、アシストガスＧがずれることなく溶接線４に向けて押圧され、溶接線４を中心とした周縁が隙間無くシールドされるのである。

また、エアＡ２がノズル本体１の内部を流下することにより、ノズル本体１の内部がエアで満たされ、ノズル本体１の内部の圧力がノズル本体１の外部の圧力より高くなる。これにより、エアＡ１およびエアＡ２により形成されるエアの壁と併せて、スパッタＳやヒュームＨがノズル本体１の内部へ侵入することをより確実に阻害する。

また、噴出通路Ｓ２から噴出されたエアＡ２は、保護ガラス３の表面を覆うように流れるため、万が一、ノズル本体１の内部にスパッタＳやヒュームＨが侵入した場合にも、保護ガラス３の表面まで到達することはない。

エア吸引源５４で発生した吸引力は、吸引管５１を通じて溶接線４付近に伝えられて、溶接線４付近の気体（エア、ガスなど）を吸引管５１内に吸引し、この気体の流れにより、溶接線４で発生するスパッタＳやヒュームＨが吸引管５１内に吸引されることとなる。

吸引管５１がこのように作用することによって、スパッタＳやヒュームＨがノズル本体１の外壁などに飛散、付着して、集積することにより、溶接線４に落下するなどして、溶接不良を招くことがない。

次に、第２の実施形態について、図４を参照しながら説明する。
第２の実施形態は、第１の実施形態において、吸引管５１に代えて、ベンチュリー管６１を用いるものである。ベンチュリー管６１は、接続部材６０を介して、ノズル本体１に接続される。また、ベンチュリー管６１は両端に拡開口を有し、先端側の拡開口６２には、エアノズル６３の開口６３ａがベンチュリー管６１の基端側（内側）に向けて配置されている。

このように構成されたことにより、エア供給源６５から供給されたエアは、エア配管６４からエアノズル６３を通って、開口６３ａから逆噴射される。この逆噴射により、周囲の気体が吸引され、溶接線４で発生するスパッタＳやヒュームＨも吸引されることとなる。

このように、第２の実施形態のレーザ加工ヘッドＬは、エアを供給して逆噴射することにより、スパッタＳやヒュームＨを吸引するものであるため、エアＡ１，Ａ２と同じエアの供給源を用いることができる。

以上、本発明の実施形態について述べてきたが、本発明の実施形態はこれに限られるものではない。
例えば、噴出通路Ｓ１は、テーパ状の隙間として形成されているが、これに限られず、テーパ状の孔を複数設けるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、被加工物Ｗを溶接する場合について説明したが、もちろん切断や穴あけ加工などにも適用することができる。

（ａ）は、本発明にかかるレーザ加工ヘッドを示す概略断面図であり、（ｂ）は、図１における、エアＡ１の供給部付近の拡大図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 図１におけるＦ２付近の気体の流れを示した図である。 吸引管の他の実施形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１ ノズル本体
２ 集光レンズ
３ 保護ガラス
４ 溶接線
Ａ１，Ａ２ エア
Ｆ１，Ｆ２ 焦点
２０ 基端部
２１，３１ エア供給部
３０ 先端部
４１ ガス供給部
５１ 吸引管
６１ ベンチュリー管
Ｇ アシストガス
Ｈ ヒューム
Ｓ スパッタ
Ｗ 被加工物

Claims (3)

1. レーザビームを照射して、被加工物を加工するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドであって、
   前記レーザビームが内部を通過し、内面に円錐面を有する筒状のノズル本体と、
   前記ノズル本体の内面に沿ってカーテン状にエアが流れるようにエアを噴出するエア供給部と、
   前記被加工物の被加工部へアシストガスを供給するガス供給部とを備え、
   前記ガス供給部は、前記アシストガスが前記カーテン状のエアの焦点と前記被加工部の間を通過するように配置されたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記ノズル本体は、前記レーザビームを集束させる集光レンズを保護する保護ガラスを備え、
   前記保護ガラスに向けてエアを供給するエア供給部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記ガス供給部と対向して配置され、
   前記被加工部付近の気体を吸引することにより、前記被加工部付近のスパッタおよびヒュームを吸引する吸引管を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。

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