JP5147445B2 - Laser processing equipment using laser light guided into the jet column - Google Patents

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Description

本発明は噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関し、特にレーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus using a laser beam guided into a jet liquid column, and in particular, a laser beam guided into a jet liquid column capable of improving the propagation efficiency of the laser beam and ensuring stable processing quality. Relates to a laser processing apparatus.

従来、レーザー光をジェット液柱で導光することを利用して、めっきまたはエッチング用の電解液のジェット液柱内にレーザー光を照射し、基板にめっきまたはエッチングを行う装置が知られている。また、ウォータージェット内にレーザー光を照射し、レーザー光をウォータージェット内で全反射させて伝搬することにより、ウォータージェット及びレーザー光で治療部位の切開を行う治療装置も知られている。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is known an apparatus for performing plating or etching on a substrate by irradiating laser light into a jet liquid column of an electrolytic solution for plating or etching by using laser light guided by the jet liquid column. . There is also known a treatment apparatus that performs incision of a treatment site with a water jet and laser light by irradiating the water jet with laser light and propagating the laser light by totally reflecting it within the water jet.

このように、液柱内でレーザー光を全反射させながら、レーザー光を導く技術は様々な分野で応用されており、レーザー加工分野においても、液体を噴射すると同時にレーザー光線を照射して所要のレーザー加工を行なうレーザー加工装置に関して、加工ヘッドの先端に液柱ビーム(噴流液柱)を噴射するノズル通路が形成されたノズルブロックを設け、フォーカスレンズによりレーザー光をノズル通路の入口開口に集光することで、ノズル通路より噴射する液柱ビームにレーザー光線を導光するものが知られている(例えば、特許文献1)。
また、従来、レーザー加工装置において使用されているレーザー光は、YAGレーザー(波長1064nm)やCO2レーザー(波長10.6μm)等が主流である。
As described above, the technology for guiding the laser beam while totally reflecting the laser beam in the liquid column has been applied in various fields. In the laser processing field, the required laser is irradiated by irradiating the laser beam at the same time. With regard to a laser processing apparatus that performs processing, a nozzle block in which a nozzle passage for injecting a liquid column beam (jet liquid column) is formed at the tip of a processing head is provided, and a laser beam is condensed at an entrance opening of the nozzle passage by a focus lens. Thus, there is known one that guides a laser beam to a liquid column beam ejected from a nozzle passage (for example, Patent Document 1).
Conventionally, a laser beam used in a laser processing apparatus is mainly a YAG laser (wavelength 1064 nm), a CO 2 laser (wavelength 10.6 μm), or the like.

特表平10−500903号公報(図2)Japanese National Patent Publication No. 10-500903 (FIG. 2)

ここで、YAGレーザー(波長1064nm)やCO2レーザー(波長10.6μm)は、噴流液柱として通常使用される水に吸収されやすいため、レーザー光の伝搬効率が低い。加えて、レーザー光が水に吸収されるときの発熱により熱レンズ作用が誘発されるため、レーザー光を効率よくウォータージェット(噴流液柱)に導くことが困難になるという問題があった。さらに、熱レンズ作用が誘発されるとレーザー光が屈折され、屈折されたレーザー光がノズルの入口開口部に当たってノズルが損傷されるおそれもある。
この問題を解決するために、特表平10−500903号(特許文献1)公報記載のレーザー加工装置においては、ウォータージェットを噴射するノズルに水を導く通水路である液体供給空間の高さを低くすることにより、レーザー光が通水路を横切る距離を短くして、水によるレーザー光の吸収を抑制している。また、この装置では、液体供給空間の高さを低くすることにより、液体供給空間内を流れる水の流速を上昇させ、レーザー光を吸収した液体供給空間内の水の温度上昇を低く抑え、熱レンズの発生を抑制している。
Here, since the YAG laser (wavelength 1064 nm) and the CO 2 laser (wavelength 10.6 μm) are easily absorbed by water that is usually used as a jet liquid column, the propagation efficiency of laser light is low. In addition, since the thermal lens action is induced by heat generation when the laser light is absorbed by water, there is a problem that it is difficult to efficiently guide the laser light to the water jet (jet liquid column). Furthermore, when the thermal lens action is induced, the laser light is refracted, and the refracted laser light may hit the nozzle inlet opening and damage the nozzle.
In order to solve this problem, in the laser processing apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-500903 (Patent Document 1), the height of the liquid supply space, which is a water passage that guides water to the nozzle that injects the water jet, is set. By making it low, the distance that the laser beam crosses the water passage is shortened, and the absorption of the laser beam by water is suppressed. In addition, in this apparatus, by reducing the height of the liquid supply space, the flow rate of the water flowing in the liquid supply space is increased, the temperature increase of the water in the liquid supply space that has absorbed the laser light is suppressed, and the heat is reduced. The generation of lenses is suppressed.

しかしながら、温度上昇を抑制するためにノズルに水を導く液体供給空間内の水の流速を高くすると、ウォータージェットの形状にゆらぎが生じやすくなり、ウォータージェットの表面乱れが生じるという問題がある。即ち、ウォータージェットに乱れが生じると、ウォータージェットにより導かれるレーザー光も影響を受けるため、レーザー加工装置の加工品質が低下してしまう。特に、被加工物の材質や寸法によっては、レーザー加工装置による一回の加工に要する時間が非常に長くなるため、ウォータージェットには、その全期間に亘って乱れが発生しない高い安定性が要求される。また、ウォータージェットの表面に乱れがあると、レーザー光がウォータージェットの表面で全反射せずにウォータージェットから外に飛び出してしまうことがあり、ウォータージェットの乱れによりレーザー光の伝搬効率が低下するという問題もある。   However, when the flow rate of water in the liquid supply space that guides water to the nozzles to suppress the temperature rise is increased, there is a problem that the shape of the water jet tends to fluctuate and the surface of the water jet is disturbed. That is, when the water jet is disturbed, the laser beam guided by the water jet is also affected, so that the processing quality of the laser processing apparatus is degraded. In particular, depending on the material and dimensions of the work piece, the time required for a single processing with a laser processing device becomes very long, so the water jet is required to have high stability so that it will not be disturbed over the entire period. Is done. In addition, if the surface of the water jet is disturbed, the laser beam may jump out of the water jet without being totally reflected at the surface of the water jet, and the propagation efficiency of the laser beam is reduced due to the disturbance of the water jet. There is also a problem.

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、レーザー光を導くウォータージェットを安定して発生させることができるレーザー加工装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of such a background, and an object thereof is to provide a laser processing apparatus capable of stably generating a water jet for guiding laser light.
Another object of the present invention is to provide a laser processing apparatus using laser light guided into a jet liquid column that can improve the propagation efficiency of laser light and ensure stable processing quality.

前記課題を解決するため、本発明の請求項1に係る発明は、レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路で前記軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、前記ノズルの軸線方向上流側に隣接して設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されていること、を特徴とする。   In order to solve the above problems, an invention according to claim 1 of the present invention includes a laser oscillator that generates laser light, a nozzle that jets a jet liquid to a work, and a liquid supply unit that supplies the jet liquid to the nozzle. And a laminar flow forming channel for supplying the jet liquid to the nozzle in a laminar flow state. The laminar flow forming channel includes a distribution channel formed with a cavity for annularly distributing the jet liquid supplied from the liquid supply means around the nozzle axis, and the distribution on the downstream side in the axial direction of the nozzle. A communication flow path provided in communication with the flow path, a flow path narrower than the distribution flow path and having an annular cavity formed around the axis, and provided adjacent to the upstream side in the axial direction of the nozzle, Stores jet liquid And a liquid storage chamber for supplying to said using a nozzle, the outer peripheral edge of the liquid storage chamber, it is passed through the communication channel and communication over the entire circumference of the ring shape, and wherein.

請求項1に係る発明によれば、噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を設けて、ノズル手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作ることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができる。   According to the first aspect of the present invention, the laminar flow forming flow path for supplying the jet liquid to the nozzle in a laminar flow state is provided, and a stable laminar flow state (a state in which the Reynolds number is small) is created in front of the nozzle. Thus, it is possible to eject the jet liquid column from the nozzle which is less likely to be disturbed on the surface of the jet liquid column and has no fluctuation.

具体的には、分配流路により、高圧で供給される噴流液体が一旦ノズルの軸線周りに環状に分配される。そして、噴流液体は、分配流路よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室に導入される。液体貯留室に導入された噴流液体の流れは、ここで減速されるので噴流液体の流れのレイノルズ数が低下され、層流状態でノズルまで導かれる。   Specifically, the jet liquid supplied at a high pressure is once distributed annularly around the axis of the nozzle by the distribution flow path. Then, the jet liquid is introduced into the liquid storage chamber in a state where turbulent flow is suppressed by flowing through the communication channel formed in an annular shape with a channel narrower than the distribution channel. Since the flow of the jet liquid introduced into the liquid storage chamber is decelerated here, the Reynolds number of the flow of the jet liquid is reduced, and the jet liquid is guided to the nozzle in a laminar flow state.

また、前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されているため、連絡流路の全周から満遍なく液体貯留室の外周縁部に導入されることで、噴流液体の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室に貯留される。   Further, since the outer peripheral edge of the liquid storage chamber communicates with the communication channel over the entire circumference of the ring shape, the liquid storage chamber is uniformly introduced into the outer peripheral edge of the liquid storage chamber from the entire periphery of the communication channel. Thus, the flow velocity of the jet liquid is reduced and stored in the liquid storage chamber in a stable laminar flow state.

このようにして、ノズル手前における流速を低下させることにより安定した層流状態を作り出す層流形成流路を設けることで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、これにより加工品質の低下を防止することができる。さらに、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることもできる。   In this way, by providing a laminar flow forming flow path that creates a stable laminar flow state by reducing the flow velocity in front of the nozzle, a stable jet liquid column that does not easily disturb the surface of the jet liquid column and that does not fluctuate. It can spray from a nozzle, and can prevent the fall of processing quality by this. Furthermore, the propagation efficiency of the laser light guided into the jet liquid column can be improved.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー光は、前記噴流液体を透過する際の吸収係数が0.01[cm-1]以下であることを特徴とする。
請求項3に係る発明は、請求項2に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、グリーンレーザー、またはUVレーザーであることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser light has an absorption coefficient of 0.01 [cm −1 ] or less when passing through the jet liquid. Features.
The invention according to claim 3 is the laser processing apparatus according to claim 2, wherein the jet liquid is water, and the laser light is a green laser or a UV laser.

かかる構成によれば、噴流液体を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を噴流液柱に導入することができる。また、噴流液体が水である場合には、レーザー光を、水に吸収され難く透過率の高いグリーンレーザー[2倍波(SHG)YAGレーザー、波長532nm]、またはUVレーザー(例えば、波長355nmや266nm)とすることでレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。また、噴流液体に吸収され難いレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。   According to such a configuration, the attenuation of the laser beam when passing through the jet liquid can be reduced, so that a sufficiently strong laser beam is introduced into the jet liquid column even when the thickness of the liquid storage chamber is increased. can do. When the jet liquid is water, the laser light is not easily absorbed by water and has a high transmittance, such as a green laser (double wave (SHG) YAG laser, wavelength 532 nm), or UV laser (for example, wavelength 355 nm or 266 nm), the propagation efficiency of laser light can be improved. Further, by using laser light that is difficult to be absorbed by the jet liquid, generation of a thermal lens is suppressed, and it becomes easy to accurately guide the laser light to the inlet opening of the nozzle. For this reason, it is possible to prevent the nozzle from being damaged and to ensure stable processing quality.

請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体は水であり、前記レーザー光は、波長域が200〜700nmであることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the jet liquid is water, and the laser beam has a wavelength range of 200 to 700 nm. It is characterized by being.

かかる構成によれば、水を透過する際のレーザー光の減衰を少なくすることができるため、液体貯留室の厚さを厚く構成した場合にも十分な強度のレーザー光を水に導入することができる。また、水に吸収され難い、波長域が200〜700nmのレーザー光を使用することにより、熱レンズの発生が抑制され、ノズルの入口開口部に精度よくレーザー光を導くことが容易となる。このため、ノズルが損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。   According to such a configuration, the attenuation of the laser beam when passing through the water can be reduced, so that a sufficiently strong laser beam can be introduced into the water even when the liquid storage chamber is made thick. it can. Further, by using a laser beam having a wavelength range of 200 to 700 nm that is not easily absorbed by water, generation of a thermal lens is suppressed, and it becomes easy to accurately guide the laser beam to the inlet opening of the nozzle. For this reason, it is possible to prevent the nozzle from being damaged and to ensure stable processing quality.

請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが2mm以上であり、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通されていること、を特徴とする。   The invention according to claim 5 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the liquid storage chamber has a depth in the axial direction of the nozzle of 2 mm or more. It is connected to the connecting channel on the upstream side in the axial direction of the outer peripheral edge.

かかる構成によれば、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを2mm以上確保して、前記外周縁部の前記軸方向上流側で前記連絡流路に連通したことで、噴流液体の流速が奥行き方向で減速されて、ノズルの上流側においてより安定した層流状態で噴流液体が液体貯留室に貯留される。
このため、より噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
According to such a configuration, the depth of the nozzle in the liquid storage chamber in the axial direction is secured to 2 mm or more, and the flow velocity of the jet liquid is increased by communicating with the communication channel on the upstream side in the axial direction of the outer peripheral edge. The jet liquid is decelerated in the depth direction, and the jet liquid is stored in the liquid storage chamber in a more stable laminar flow state on the upstream side of the nozzle.
For this reason, it is possible to inject a jet liquid column that is less likely to be disturbed on the surface of the jet liquid column and has no fluctuation from the nozzle, and to improve the propagation efficiency of the laser light guided into the jet liquid column.

また、液体貯留室における前記ノズルの軸線方向の奥行きを2mm以上確保することで、ノズル入口開口部のレーザー集光点から導入窓、レンズ等の光学系装置を隔離することができるため、光学系装置の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。   In addition, since the depth in the axial direction of the nozzle in the liquid storage chamber is 2 mm or more, the optical system device such as the introduction window and the lens can be isolated from the laser condensing point of the nozzle inlet opening. While avoiding thermal distortion of the apparatus to ensure stable optical performance, durability can be improved and stable processing quality can be ensured.

請求項6に係る発明は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記噴流液体が水である場合において、前記液体供給手段は、前記レーザー光の伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the liquid supply means is configured to transmit the laser light when the jet liquid is water. A processing device for enhancing the homogeneity of the jet liquid as a propagation medium is provided.

かかる構成によれば、例えば、前記噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去して、噴流液柱をレーザー光の伝搬媒体としてガラスのように均質性を高めることができる。
このため、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
According to this configuration, for example, dissolved gas and particles present as impurities in the jet liquid and ions that cause ion emission are removed, and the jet liquid column is homogeneous as glass using a laser light propagation medium. Can increase the sex.
For this reason, the stable jet liquid column can be ejected from the nozzle, and the propagation efficiency of the laser light guided into the jet liquid column can be improved.

請求項7に係る発明は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記レーザー加工装置は、前記噴流液柱に沿ってアシストガスを導入するアシストガス供給装置を有し、前記アシストガス供給装置は、前記ノズルの下流側に設けられ前記噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、前記導入流路は、前記噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、前記噴流液柱の軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路であること、を特徴とする。   The invention according to claim 7 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the laser processing apparatus introduces an assist gas along the jet liquid column. A gas supply chamber provided downstream of the nozzle and configured to accommodate the jet liquid column; and an introduction flow for introducing the assist gas into the gas supply chamber. The introduction flow path is a spiral introduction flow path configured so as to follow a spiral shape from the outer periphery of the jet liquid column, or a cone configured to approach the axis of the jet liquid column It is a shape introduction flow path.

かかる構成によれば、噴流液柱に沿ってアシストガスが導入され、噴流液柱に偏ったカが作用しないようにアシストガスを噴流液柱の外周に導くことで、噴流液柱の表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
また、ワーク上面に堆積した加工時に不必要な噴流液体や、加工面より跳ね返った噴流液体を効率よく除去して作業性を向上させることができる。
According to this configuration, the assist gas is introduced along the jet liquid column, and the assist gas is guided to the outer periphery of the jet liquid column so that the biased liquid does not act on the jet liquid column, thereby disturbing the surface of the jet liquid column. Therefore, it is possible to eject a jet liquid column that does not easily cause fluctuations from the nozzle, and the propagation efficiency of laser light guided into the jet liquid column can be improved.
Moreover, the workability can be improved by efficiently removing the jet liquid unnecessary at the time of processing accumulated on the workpiece upper surface and the jet liquid rebounding from the work surface.

請求項8に係る発明は、請求項1から請求項7の何れか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする。   The invention according to claim 8 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the liquid storage chamber has a volume larger than a volume of a cavity of the communication channel. It is characterized by this.

かかる構成によれば、連絡流路の空洞から供給された噴流液体が、より大きな体積の液体貯留室に流入する。このため、液体貯留室内での噴流液体の流速が減少して、液体貯留室内で層流状態を作りやすくなり、安定した噴流液柱をノズルから噴射することができ、噴流液柱内に導かれたレーザー光の伝搬効率を向上させることができる。   According to this configuration, the jet liquid supplied from the cavity of the communication channel flows into the liquid storage chamber having a larger volume. For this reason, the flow velocity of the jet liquid in the liquid storage chamber is reduced, and it becomes easy to create a laminar flow state in the liquid storage chamber, and a stable jet liquid column can be ejected from the nozzle and guided into the jet liquid column. The propagation efficiency of the laser beam can be improved.

請求項9に係る発明は、請求項1から請求項8の何れか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記分配流路には、前記液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、前記連絡流路の前記分配流路との連通部は、前記導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする。   The invention according to claim 9 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the jet liquid from the liquid supply means is introduced into the distribution channel. A pipe is connected, and the communicating part of the communication channel with the distribution channel is arranged at a position off the axis of the introduction tube.

かかる構成によれば、連絡流路の分配流路との連通部が、導入管の軸線から外れた位置にあるので、導入管から分配流路に導入された噴流液体が連絡流路に直接流入するのを抑制することができる。このため、分配流路からの噴流液体をノズルの軸線周りの方向から均一に連絡流路に供給することができ、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。   According to such a configuration, since the communication portion of the communication channel with the distribution channel is located away from the axis of the introduction pipe, the jet liquid introduced from the introduction pipe to the distribution channel directly flows into the communication channel. Can be suppressed. For this reason, the jet liquid from the distribution channel can be uniformly supplied to the communication channel from the direction around the axis of the nozzle, and a laminar flow state of the jet liquid in the liquid storage chamber can be easily created.

請求項10に係る発明は、請求項1から請求項9の何れか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする。   The invention according to claim 10 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 9, wherein the outer peripheral surface of the communication channel and the outer peripheral surface of the liquid storage chamber have no step. It is characterized by forming a continuous surface.

かかる構成によれば、連絡流路の外周面に沿って移動する噴流液体は、次に液体貯留室の外周面の段差なく連続した面に沿って移動し、液体貯留室に流入する。このため、連絡流路から液体貯留室までの噴流液体の流れを滑らかにすることができるので、液体貯留室での噴流液体の層流状態を作りやすくすることができる。   According to such a configuration, the jet liquid that moves along the outer peripheral surface of the communication channel moves next along a continuous surface without a step on the outer peripheral surface of the liquid storage chamber, and flows into the liquid storage chamber. For this reason, since the flow of the jet liquid from the communication channel to the liquid storage chamber can be made smooth, it is possible to easily create a laminar flow state of the jet liquid in the liquid storage chamber.

請求項11に係る発明は、請求項1から請求項10の何れか1項に記載のレーザー加工装置であって、前記液体貯留室は、前記ノズルの軸線方向の奥行きが、前記ノズルの直径の20倍以上に構成されていること、を特徴とする。
かかる構成によれば、ノズルからの噴流液体の噴出流量に対して液体貯留室内の十分な流路面積を確保することができるので、液体貯留室内における流速を十分に遅くすることができ、乱れのない流れを容易に生成することができる。
The invention according to claim 11 is the laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein the liquid storage chamber has a depth in the axial direction of the nozzle of the diameter of the nozzle. It is configured to be 20 times or more.
According to such a configuration, a sufficient flow path area in the liquid storage chamber can be ensured with respect to the jet flow rate of the jet liquid from the nozzle, so that the flow velocity in the liquid storage chamber can be sufficiently slowed, No flow can be generated easily.

本発明に係る噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置は、レーザー光の伝搬効率を向上させて、安定した加工品質を確保することができる。   The laser processing apparatus using laser light guided into the jet liquid column according to the present invention can improve the propagation efficiency of laser light and ensure stable processing quality.

本発明の実施形態に係るレーザー光線加工装置について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
参照する図面において、図1は本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。図2は本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。図3は本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。図4は本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図1のA−A断面図であり、図5はアシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。
A laser beam processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a side sectional view showing an overall configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of a main part for explaining another example of the optical device according to the embodiment of the present invention, and shows a mode in which a laser light introduction window is not mounted. FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the laminar flow forming flow path according to the embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 showing the configuration of the spiral introduction flow path in the assist gas supply device according to the embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cone according to another example in the assist gas supply device. It is side surface sectional drawing which shows the structure of a shape introduction flow path.

なお、図1における上下方向を本実施形態におけるレーザー加工装置1の上下方向として表記するが、加工ヘッド4の向きは上下方向に限定されるものではなく、加工ヘッド4が上下方向に対して傾斜したものでもよい。   In addition, although the up-down direction in FIG. 1 is described as the up-down direction of the laser processing apparatus 1 in this embodiment, the direction of the processing head 4 is not limited to the up-down direction, and the processing head 4 is inclined with respect to the up-down direction. You may have done.

本発明の実施形態に係るレーザー加工装置1は、図1に示すように、グリーンレーザーからなるレーザー光Lを発生するグリーンレーザー発振器2と、ワークWに噴流液体である高圧水を噴射するノズル3が装着された加工ヘッド4と、レーザー光Lをノズル3に導くための光学装置5と、ノズル3に高圧水を供給する液体供給手段6と、ノズルの上流側に隣接して設けられ高圧水を層流状態でノズル3に供給する層流形成流路8と、レーザー光Lの伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置9と、噴流液柱Fに沿ってアシストガスASを導入するアシストガス供給装置11と、を備えている。   As shown in FIG. 1, a laser processing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a green laser oscillator 2 that generates a laser beam L made of a green laser, and a nozzle 3 that injects high-pressure water that is a jet liquid onto a workpiece W. , The optical device 5 for guiding the laser light L to the nozzle 3, the liquid supply means 6 for supplying high-pressure water to the nozzle 3, and the high-pressure water provided adjacent to the upstream side of the nozzle. Is supplied to the nozzle 3 in a laminar flow state, a processing device 9 for enhancing the homogeneity of the jet liquid as a propagation medium of the laser light L, and the assist gas along the jet liquid column F And an assist gas supply device 11 for introducing AS.

そして、かかる構成により、ノズル3から噴射された噴流液柱F(ウォータージェット)内に導かれたレーザー光LをワークWに照射しながら、テーブルTまたは加工ヘヅド4を図示しない移動手段により移動させてレーザー加工を行なう。   With this configuration, the table T or the processing head 4 is moved by a moving means (not shown) while irradiating the workpiece W with the laser light L guided into the jet liquid column F (water jet) ejected from the nozzle 3. Laser processing.

グリーンレーザー発振器2は、図1に示すように、レーザー光Lとしてグリーンレーザーを発生する装置である。そして、レーザー光Lは、グリーンレーザー発振器2から光ファイバケーブル21内に導光されて、加工ヘッド4の頂部から下方に配設されたノズル3に向けて集光される。   The green laser oscillator 2 is a device that generates a green laser as the laser light L, as shown in FIG. Then, the laser light L is guided from the green laser oscillator 2 into the optical fiber cable 21, and condensed from the top of the processing head 4 toward the nozzle 3 disposed below.

グリーンレーザーは、2倍波(SHG)YAGレーザーであり、波長が532nmである。グリーンレーザーは、YAGレーザー(波長1064nm)やCO2レーザー(波長10.6μm)と異なり、水を通過しやすい特徴を有するため、噴流液体として安価で入手が容易な水を使用する場合には、レーザー光Lの伝搬効率を向上させることができる。また、水に吸収され難いため、熱レンズの発生を抑制することで、ノズル3の入口開口部31に精度よくレーザー光Lを導くことが容易となる。このため、ノズル3を損傷することを防止するとともに、安定した加工品質を確保することができる。 The green laser is a double wave (SHG) YAG laser and has a wavelength of 532 nm. Unlike the YAG laser (wavelength 1064 nm) and the CO 2 laser (wavelength 10.6 μm), the green laser has a characteristic that it easily passes through water. Therefore, when using water that is inexpensive and easily available as a jet liquid, The propagation efficiency of the laser beam L can be improved. Further, since it is difficult to be absorbed by water, it is easy to accurately guide the laser light L to the inlet opening 31 of the nozzle 3 by suppressing the generation of the thermal lens. For this reason, it is possible to prevent the nozzle 3 from being damaged and to ensure stable processing quality.

加工ヘッド4は、略円筒形状に形成されたハウジング41と、ハウジング41内の上部に収容された光学装置5と、光学装置5の下方に配設された層流形成流路8と、層流形成流路8の下方に配設されたノズル3と、ノズル3の下方に配設されたアシストガス供給装置11と、を備えている。
そして、ハウジング41の頂部から下方に向けて照射されたレーザー光Lは、光学装置5により、ノズル3の入口開口部31に集光され、ノズル3から噴射される噴流液柱F内に導かれて、噴流液柱F内で全反射を繰り返しながら導光されてワークWに照射される。
The processing head 4 includes a housing 41 formed in a substantially cylindrical shape, an optical device 5 accommodated in an upper portion of the housing 41, a laminar flow forming flow path 8 disposed below the optical device 5, a laminar flow A nozzle 3 disposed below the formation flow path 8 and an assist gas supply device 11 disposed below the nozzle 3 are provided.
The laser light L emitted downward from the top of the housing 41 is collected by the optical device 5 into the inlet opening 31 of the nozzle 3 and guided into the jet liquid column F ejected from the nozzle 3. Then, the light is guided to the workpiece W while repeating total reflection in the jet liquid column F, and irradiated onto the workpiece W.

光学装置5は、ハウジング41の頂部から放射されたレーザー光Lを平行光に変換するコリメータレンズ51と、コリメータレンズ51で変換された平行光をノズル3の入口開口部31に集光する集光レンズ52と、層流形成流路8(液体貯留室83)の上方に隣接して配設されレーザー光Lを層流形成流路8に導入する導入窓53と、を備えている。   The optical device 5 includes a collimator lens 51 that converts the laser light L emitted from the top of the housing 41 into parallel light, and a condensing light that condenses the parallel light converted by the collimator lens 51 at the inlet opening 31 of the nozzle 3. A lens 52 and an introduction window 53 that is disposed adjacently above the laminar flow forming channel 8 (liquid storage chamber 83) and introduces the laser light L into the laminar flow forming channel 8 are provided.

なお、本実施形態においては、図1に示すように、レーザー光Lの導入窓(ウィンドウ)53を液体貯留室83の上方に設けたが、これに限定されるものではなく、図1に示す導入窓53に代えて、この導入窓53の位置に集光レンズ52’を配設することもできる(図2参照)。   In this embodiment, as shown in FIG. 1, the introduction window (window) 53 for the laser beam L is provided above the liquid storage chamber 83, but the present invention is not limited to this, and is shown in FIG. Instead of the introduction window 53, a condensing lens 52 ′ may be disposed at the position of the introduction window 53 (see FIG. 2).

液体供給手段6は、図示しない給水タンクから水を吸い込んで増圧する高圧水ポンプ61と、増圧された高圧水を層流形成流路8まで供給する高圧配管62と、を備えている。
また、高圧水ポンプ61は、サーボ駆動式のポンプを採用し、ポンプの吐出圧力を検出して吐出圧力が一定となるようにフィードバック制御を行なうことで、サーボモータとボールねじにより一定の流速で水を押し出すように構成されている。
そして、かかる構成により、安定した高圧水の流れを発生して層流形成流路8に送り出すことができる。
The liquid supply means 6 includes a high-pressure water pump 61 that sucks water from a water supply tank (not shown) and increases the pressure, and a high-pressure pipe 62 that supplies the increased high-pressure water to the laminar flow forming channel 8.
The high-pressure water pump 61 employs a servo-driven pump, detects the pump discharge pressure, and performs feedback control so that the discharge pressure is constant. It is configured to extrude water.
With this configuration, a stable high-pressure water flow can be generated and sent out to the laminar flow forming channel 8.

層流形成流路8は、液体供給手段6から供給された噴流液体である高圧水をノズルの軸線Gの周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路81と、ノズルの軸線G方向下流側において分配流路81に連通して設けられ、分配流路81よりも狭い流路でノズルの軸線G周りに環状の空洞が形成された連絡流路82と、ノズルの軸線G方向上流側に隣接して設けられ、高圧水を貯留してノズル3に供給する液体貯留室83と、を備えている。
そして、連絡流路82と液体貯留室83とは、液体貯留室83の外周縁部83aにおいて、環形状の連絡流路82の全周にわたって連通されている。
The laminar flow forming channel 8 includes a distribution channel 81 in which a cavity for annularly distributing the high-pressure water, which is a jet liquid supplied from the liquid supply means 6, around the nozzle axis G, and the direction of the nozzle axis G. A communication channel 82 provided on the downstream side in communication with the distribution channel 81 and having a narrower channel than the distribution channel 81 and having an annular cavity around the nozzle axis G, and an upstream side in the direction of the nozzle axis G And a liquid storage chamber 83 that stores high-pressure water and supplies the high-pressure water to the nozzle 3.
The communication channel 82 and the liquid storage chamber 83 communicate with each other over the entire circumference of the ring-shaped communication channel 82 at the outer peripheral edge 83 a of the liquid storage chamber 83.

ここで、連絡流路82は、本実施形態においては、ノズルの軸線G方向上流側が分配流路81に連通して設けられ、ノズルの軸線G方向下流側が上流側よりも縮径された円筒形状の流路として形成されている。一方、液体貯留室83は、ノズルの軸線G方向下流側が上流側よりも縮径された逆円錐台形状として形成されている。   Here, in the present embodiment, the communication channel 82 is provided in a cylindrical shape in which the upstream side in the direction of the axis G of the nozzle communicates with the distribution channel 81 and the downstream side in the direction of the axis G of the nozzle is smaller in diameter than the upstream side. It is formed as a flow path. On the other hand, the liquid storage chamber 83 is formed in an inverted truncated cone shape in which the downstream side in the direction of the axis G of the nozzle is smaller in diameter than the upstream side.

そして、連絡流路82の外周面82aと液体貯留室83の外周面83bとは、段差がなく同一面上に連続するように延設されている。また、外周面82a,83bに沿う方向は、ノズルの軸線G方向に対して内側(ノズル側)に傾斜している。   And the outer peripheral surface 82a of the communication flow path 82 and the outer peripheral surface 83b of the liquid storage chamber 83 are extended so that there may be no level | step difference and on the same surface. The direction along the outer peripheral surfaces 82a and 83b is inclined inward (nozzle side) with respect to the nozzle axis G direction.

かかる構成により、分配流路81に貯留された高圧水は連絡流路82から液体貯留室83の外周面83bの傾斜を伝わるように導入されることで、流体の流れが整えられ安定した層流状態で液体貯留室83に貯留されノズル3に高圧水が供給される。   With this configuration, the high-pressure water stored in the distribution flow path 81 is introduced from the communication flow path 82 so as to be transmitted along the inclination of the outer peripheral surface 83b of the liquid storage chamber 83, whereby the fluid flow is adjusted and the stable laminar flow is achieved. In this state, the liquid is stored in the liquid storage chamber 83 and high-pressure water is supplied to the nozzle 3.

液体貯留室83は、ノズルの軸線G方向の奥行き(高さH)が3mmであり、外周縁部83aのノズルの軸線G方向上流側で連絡流路82に連通されている。
なお、液体貯留室83のノズルの軸線G方向の奥行き(高さH)は、2mm以上であることが好ましく、後述するように、大きくすればするほど液体貯留室83内における噴流液体の速度は低下する。このため、液体貯留室83の奥行きを大きくすることは、液体貯留室83内のノズル3上部における層流の形成には有利である。さらに、液体貯留室83の奥行きを大きくすると、小さなスポットに集光される前のレーザー光が導入窓53を透過するので、導入窓53を透過するレーザー光のエネルギー密度を低下され、導入窓53を保護することができる。従って、液体貯留室83のノズルの軸線G方向の奥行き(高さH)は、スペースの制約や応答性を考慮して、2〜40mmの間で適宜設定するのが好ましい。
The liquid storage chamber 83 has a depth (height H) in the direction of the nozzle axis G of 3 mm, and communicates with the communication channel 82 on the upstream side of the outer peripheral edge 83a in the direction of the axis G of the nozzle.
The depth (height H) of the nozzle of the liquid storage chamber 83 in the direction of the axis G is preferably 2 mm or more. As will be described later, the velocity of the jet liquid in the liquid storage chamber 83 increases as the depth increases. descend. For this reason, increasing the depth of the liquid storage chamber 83 is advantageous for forming a laminar flow in the upper portion of the nozzle 3 in the liquid storage chamber 83. Further, when the depth of the liquid storage chamber 83 is increased, the laser light before being condensed into a small spot passes through the introduction window 53, so that the energy density of the laser light that passes through the introduction window 53 is reduced, and the introduction window 53 is reduced. Can be protected. Therefore, it is preferable that the depth (height H) of the nozzle of the liquid storage chamber 83 in the axis G direction is appropriately set between 2 and 40 mm in consideration of space restrictions and responsiveness.

[本実施形態に係る層流形成流路の詳細な形状について]
次に、本実施形態に係る層流形成経路8の好ましい形状についてさらに詳しく説明する。
図6は、本実施形態に係る層流形成流路8の軸線G方向に沿った断面図である。層流形成流路8は、高圧ポンプから供給された高圧水を、渦の生成等を抑制しながら液体貯留室83に一旦滞留させて層流状態を形成し、ノズル3から表面に乱れのない噴流液柱Fを噴射することができるように、形状付けられる。
[Detailed shape of laminar flow forming channel according to this embodiment]
Next, the preferable shape of the laminar flow formation path 8 according to the present embodiment will be described in more detail.
FIG. 6 is a cross-sectional view along the axis G direction of the laminar flow forming flow path 8 according to the present embodiment. The laminar flow forming channel 8 temporarily retains the high-pressure water supplied from the high-pressure pump in the liquid storage chamber 83 while suppressing generation of vortex and the like to form a laminar flow state, and the surface from the nozzle 3 is not disturbed. It is shaped so that the jet liquid column F can be ejected.

具体的には、図6の断面図に示すように、層流形成流路8の分配流路81は、高圧ポンプからの水が導入される導入管112が接続される外周側壁面114と、外周側壁面114に対向して設けられる内周側壁面116とを有する横断面略矩形の環状に形成されている。外周側壁面114の軸線Gに沿った方向の寸法hは、導入管112の径寸法cよりも大きく設定されている。また、導入管112は、外周側壁面114の軸線G方向上流側で接続されている。内周側壁面116は、導入管112の軸線Mに交差するように配置されている。
ここで、分配流路81は、分配流路81内の水が、全方向から液体貯留室83に導かれるように、分配流路81内の水の流速が、連絡通路82内での水の流速の2〜10分の1になるような横断面積を有する形状とすることが好ましい。
Specifically, as shown in the cross-sectional view of FIG. 6, the distribution flow path 81 of the laminar flow formation flow path 8 includes an outer peripheral side wall surface 114 to which an introduction pipe 112 into which water from a high pressure pump is introduced, It is formed in an annular shape having a substantially rectangular cross section having an inner peripheral side wall surface 116 provided to face the outer peripheral side wall surface 114. The dimension h in the direction along the axis G of the outer peripheral side wall surface 114 is set to be larger than the diameter dimension c of the introduction pipe 112. The introduction pipe 112 is connected on the upstream side in the axis G direction of the outer peripheral side wall surface 114. The inner peripheral side wall surface 116 is disposed so as to intersect the axis M of the introduction pipe 112.
Here, the distribution flow path 81 has a flow rate of water in the distribution flow path 81 such that the water in the distribution flow path 81 is guided to the liquid storage chamber 83 from all directions. A shape having a cross-sectional area that is 2 to 1/10 of the flow rate is preferable.

連絡流路82は、上流側の連通部118が、分配流路81の内周側壁面116の軸線G方向下流側に接続されるように配置される。これにより、連絡流路82の連通部118は、水の導入管112の軸線M上から外れた位置に配置される。また、連絡流路82は、分配流路81から液体貯留室83に向かって、内側に且つ軸線G方向下流側に傾斜して形成され、分配流路81と液体貯留室83との間で流路を狭める、細い通路を形成する。   The communication channel 82 is disposed such that the upstream communication portion 118 is connected to the downstream side in the axis G direction of the inner peripheral side wall surface 116 of the distribution channel 81. Thereby, the communication part 118 of the communication flow path 82 is disposed at a position deviated from the axis M of the water introduction pipe 112. The communication channel 82 is formed so as to be inclined inward and downstream in the axis G direction from the distribution channel 81 toward the liquid storage chamber 83, and flows between the distribution channel 81 and the liquid storage chamber 83. Form a narrow passage that narrows the path.

連絡流路82の下流側の環状端部の径寸法Dは、加工ヘッド4の大きさやレーザー加工装置1の能力等を考慮して設定され、例えば、10mm〜40mmに設定することができる。
また、連絡流路82の長さpは、加工ヘッド4の形状や大きさ、スペースの自由度に応じて適宜選択することができる。なお、連絡流路82の内外周面は、分配流路81からの水流内の渦を押さえる働きを有するので、連絡流路82の長さpは、その機能を有効に発揮できるように設定することが好ましく、具体的には、連絡流路82の内外周面間の隙間寸法sの1〜20倍程度に設定することが好ましい。
The diameter D of the annular end portion on the downstream side of the communication channel 82 is set in consideration of the size of the processing head 4, the capability of the laser processing apparatus 1, and the like, and can be set to 10 mm to 40 mm, for example.
Further, the length p of the communication channel 82 can be appropriately selected according to the shape and size of the processing head 4 and the degree of freedom of space. Since the inner and outer peripheral surfaces of the communication channel 82 have a function of suppressing vortices in the water flow from the distribution channel 81, the length p of the communication channel 82 is set so that the function can be effectively exhibited. Specifically, specifically, it is preferably set to about 1 to 20 times the gap dimension s between the inner and outer peripheral surfaces of the communication channel 82.

さらに、連絡流路82の隙間寸法sは、どのような値を取っても、液体貯留室83に接続される連絡流路の径寸法Dとノズル3から流れ出る液体の流量Qが一定であれば、レイノルズ数は変化しない。したがって、連絡流路82の隙間寸法sは、分配流路81の全方向から液体貯留室83に水を導入することができるように、分配流路81の寸法や、供給される水の圧力等の諸条件を勘案して設定することができ、通常、0.3mm〜2mmに設定される。   Furthermore, the gap dimension s of the communication channel 82 is constant regardless of the value, provided that the diameter D of the communication channel connected to the liquid storage chamber 83 and the flow rate Q of the liquid flowing out from the nozzle 3 are constant. The Reynolds number does not change. Therefore, the gap dimension s of the communication channel 82 is such that the distribution channel 81 is dimensioned and the pressure of the supplied water is such that water can be introduced into the liquid storage chamber 83 from all directions of the distribution channel 81. These conditions can be set in consideration of the above conditions, and is usually set to 0.3 mm to 2 mm.

液体貯留室83は、前述のように軸線G方向の奥行きが、例えば前述の特許文献1に記載されたような従来の構造よりも大きく設定され、具体的には2mm以上に設定されることが好ましい。また、液体貯留室83の体積は、連絡流路82の体積よりも大きく設定されている。   As described above, the depth of the liquid storage chamber 83 in the direction of the axis G is set to be larger than that of the conventional structure described in, for example, the above-described Patent Document 1, and specifically set to 2 mm or more. preferable. Further, the volume of the liquid storage chamber 83 is set to be larger than the volume of the communication channel 82.

このような構造の層流形成流路8では、導入管112から高圧ポンプによって水が供給されると、水は、内周側壁面116に向かって進み、分配流路81の全周に行き渡る。ここで、導入管112の軸線M上に内周側壁面116が配置され、連絡流路82は、前記軸線上に配置されていないので、高圧ポンプからの水が直接連絡流路82に入ることがなく、一旦分配流路81全周に分配される。したがって、導入管112からの高圧水の勢いが分配流路81で抑制される。   In the laminar flow forming flow path 8 having such a structure, when water is supplied from the introduction pipe 112 by the high pressure pump, the water proceeds toward the inner peripheral side wall surface 116 and reaches the entire circumference of the distribution flow path 81. Here, since the inner peripheral side wall surface 116 is disposed on the axis M of the introduction pipe 112 and the communication channel 82 is not disposed on the axis, water from the high-pressure pump directly enters the communication channel 82. Without being distributed, it is once distributed over the entire circumference of the distribution channel 81. Accordingly, the momentum of the high-pressure water from the introduction pipe 112 is suppressed by the distribution flow path 81.

分配流路81からの水は、全方向から連絡流路82に流入する。連絡流路82は、分配流路81で高圧ポンプにより生じる水流内の渦を内外周面で押さえて水流を減速させ、層流にする働きと、液体貯留室83に全方向から水を供給する分配機能とを有する。
連絡流路82に流入した水は、液体貯留室83に流入する。液体貯留室83は、前述のように、水を内部に滞留させて、主に奥行き寸法によって水の流速を減じて層流状態に整える。
このような動作により、ノズル3から噴射される噴流液柱Fは、表面に乱れが生じ難く、ゆらぎのないものとなる。したがって、噴流液柱Fによって導光されるレーザー光Lの伝搬効率の損失も低減される。
Water from the distribution channel 81 flows into the communication channel 82 from all directions. The communication flow path 82 suppresses the vortex in the water flow generated by the high pressure pump in the distribution flow path 81 at the inner and outer peripheral surfaces, decelerates the water flow, and makes the liquid storage chamber 83 supply water from all directions. Distribution function.
The water that has flowed into the communication channel 82 flows into the liquid storage chamber 83. As described above, the liquid storage chamber 83 retains water therein, and adjusts the flow rate of the water mainly by the depth to adjust the laminar flow state.
By such an operation, the jet liquid column F ejected from the nozzle 3 is less likely to be disturbed on the surface and does not fluctuate. Therefore, the loss of the propagation efficiency of the laser light L guided by the jet liquid column F is also reduced.

また、図5に示すように、ノズル3は、円盤形状をなし、上面にレーザー光Lが集光される入口開口部31が形成され、この入口開口部31の下方に次第に拡径された噴射口32が形成されている。そして、噴射口32から下方に向けて噴射された噴流液柱F内にレーザー光Lが導光されワークWに噴射される。   In addition, as shown in FIG. 5, the nozzle 3 has a disk shape, an inlet opening 31 on which the laser beam L is condensed is formed on the upper surface, and the diameter is gradually increased below the inlet opening 31. A mouth 32 is formed. Then, the laser beam L is guided into the jet liquid column F ejected downward from the ejection port 32 and is ejected onto the workpiece W.

処理装置9は、水である噴流液体中に不純物として存在する溶存気体およびパーティクル、並びにイオン発光の原因となるイオンを除去する装置であり、例えば、水処理装置91(脱気装置、イオン交換樹脂)や高圧フィルタ92を備えて構成することができる。   The treatment device 9 is a device that removes dissolved gas and particles present as impurities in the jet liquid that is water, and ions that cause ion emission. For example, the water treatment device 91 (deaeration device, ion exchange resin) ) Or a high-pressure filter 92.

アシストガス供給装置11は、図1に示すように、アシストガスASの圧力を調整するエアコントローラ11aと、ノズル3の下流側に設けられ噴流液柱Fを収容するように形成されたガス供給室11bと、このガス供給室11bにアシストガスASを導入するスパイラル状導入流路11cと、を備えている。
スパイラル状導入流路11cは、図4に示すように、噴流液柱Fの軸線に向かう方向に対してずらした位置に導入し、噴流液柱Fの外周からスパイラル状に沿うように構成した導入流路である。
As shown in FIG. 1, the assist gas supply device 11 includes an air controller 11 a that adjusts the pressure of the assist gas AS, and a gas supply chamber that is provided on the downstream side of the nozzle 3 and accommodates the jet liquid column F. 11b and a spiral introduction flow path 11c for introducing the assist gas AS into the gas supply chamber 11b.
As shown in FIG. 4, the spiral introduction flow path 11 c is introduced at a position shifted with respect to the direction toward the axis of the jet liquid column F, and is introduced so as to follow the spiral shape from the outer periphery of the jet liquid column F. It is a flow path.

また、導入流路の他の実施例として、図5に示すように、ガス供給室11dに収容された噴流液柱Fの軸線に漸近するように構成されたコーン状導入流路11eとして構成することもできる。そして、コーン状導入流路11eは、ガス供給室11dの周りに円環状にアシストガスASを分配する分配流路11fを有し、この分配流路11fから下方に向かうにつれて噴流液柱Fの軸線に漸近するようにアシストガスASが供給される。   Further, as another embodiment of the introduction flow path, as shown in FIG. 5, it is configured as a cone-shaped introduction flow path 11e configured so as to approach the axis of the jet liquid column F accommodated in the gas supply chamber 11d. You can also. The cone-shaped introduction channel 11e has a distribution channel 11f that distributes the assist gas AS in an annular shape around the gas supply chamber 11d, and the axis of the jet liquid column F extends downward from the distribution channel 11f. The assist gas AS is supplied so as to gradually approach.

以上のように構成された本実施形態に係るレーザー加工装置1の動作および作用効果について、主として図3を参照しながら説明する。
レーザー加工装置1は、図1に示すように、高圧水を層流状態でノズル3に供給する層流形成流路8を設けて、ノズル3の手前に安定した層流状態(レイノルズ数が小さい状態)の流れを作り、噴流液柱Fの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Fをノズル3から噴射するようにしている。
The operation and effect of the laser processing apparatus 1 according to this embodiment configured as described above will be described mainly with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the laser processing apparatus 1 is provided with a laminar flow forming flow path 8 for supplying high pressure water to the nozzle 3 in a laminar flow state, and a stable laminar flow state (with a small Reynolds number) in front of the nozzle 3. In this state, the jet liquid column F is ejected from the nozzle 3 so as not to be disturbed on the surface of the jet liquid column F.

すなわち、図3に示すように、分配流路81により、供給される高圧水が一旦ノズルの軸線G周りに環状に分配される(R1〜R2の流れ)。ここで、分配流路81の流路断面積は、高圧水を分配流路81に導く通水路よりも十分に大きく構成されているので、分配流路81に流入すると導入された高圧水の流速は十分に低下され、分配流路81への流入時に生じる流れの乱れが除去される。さらに、高圧水は、分配流路81よりも狭い流路で環形状に形成された連絡流路82を流通することで、乱流が抑制された状態で液体貯留室83に導入される。   That is, as shown in FIG. 3, the high-pressure water supplied is once distributed annularly around the nozzle axis G by the distribution flow path 81 (flow of R1 to R2). Here, the flow passage cross-sectional area of the distribution flow path 81 is sufficiently larger than the water flow path that guides the high-pressure water to the distribution flow path 81, so the flow rate of the high-pressure water introduced when flowing into the distribution flow path 81 Is sufficiently lowered, and the turbulence of the flow that occurs when flowing into the distribution flow path 81 is removed. Further, the high-pressure water is introduced into the liquid storage chamber 83 in a state in which turbulent flow is suppressed by flowing through the communication channel 82 formed in an annular shape with a channel narrower than the distribution channel 81.

また、液体貯留室83の外周縁部における外周面83bは、環形状の全周にわたって連絡流路82と連通されているため、連絡流路82の全周から満遍なく液体貯留室83の外周縁部に導入される(R3の流れ)。ここで、液体貯留室83の高さHは、連絡流路82の高さよりも大きく構成されているので、連絡流路82から液体貯留室83に流入すると、高圧水の流路断面積は広くなり、高圧水の流速が減速され、安定した層流状態で液体貯留室83に貯留される。   Further, since the outer peripheral surface 83 b at the outer peripheral edge of the liquid storage chamber 83 is in communication with the communication channel 82 over the entire circumference of the ring shape, the outer peripheral edge of the liquid storage chamber 83 is evenly distributed from the entire periphery of the communication channel 82. (R3 flow). Here, since the height H of the liquid storage chamber 83 is configured to be larger than the height of the communication channel 82, when the liquid storage chamber 83 flows into the liquid storage chamber 83 from the communication channel 82, the channel cross-sectional area of the high-pressure water is wide. Thus, the flow rate of the high-pressure water is reduced and stored in the liquid storage chamber 83 in a stable laminar flow state.

このようにして、ノズル3手前に安定した層流状態を作り出す液体貯留室83を設けることで、噴流液柱Fの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Fをノズル3から噴射することができる。このため、噴流液柱F内に導かれたレーザー光Lの伝搬効率を向上させることができる。   In this way, by providing the liquid storage chamber 83 that creates a stable laminar flow state in front of the nozzle 3, the jet liquid column F that does not easily disturb the surface of the jet liquid column F and that does not fluctuate is ejected from the nozzle 3. Can do. For this reason, the propagation efficiency of the laser beam L guided into the jet liquid column F can be improved.

[本実施形態に係るグリーンレーザーの伝搬効率について]
次に、図7及び図8を参照して、液体貯留室83を通過するレーザー光の伝搬効率を説明する。図7は、種々の奥行き(高さH、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室に19W、24Wのレーザー光を入射させたとき射出されるレーザー光の出力を示すグラフである。また、図8は、種々の奥行き(高さH、導入窓−ノズル間距離)を有する液体貯留室にレーザー光を透過させたときのレーザー光の伝搬効率を示すグラフである。
[Propagation efficiency of green laser according to this embodiment]
Next, the propagation efficiency of the laser light passing through the liquid storage chamber 83 will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a graph showing the output of laser light emitted when 19 W and 24 W laser light is incident on a liquid storage chamber having various depths (height H, introduction window-nozzle distance). FIG. 8 is a graph showing the propagation efficiency of laser light when the laser light is transmitted through a liquid storage chamber having various depths (height H, introduction window-nozzle distance).

図7は、ノズル径がφ100μm、噴射圧力が10MPa、レーザー光Lの周波数が10kHzの場合において、縦軸にレーザー光Lの出力(ノズル3から20mm下方の位置で計測)を採り、横軸に導入窓−ノズル間距離を採って、両者の関係を表示したものである。   In FIG. 7, when the nozzle diameter is 100 μm, the injection pressure is 10 MPa, and the frequency of the laser beam L is 10 kHz, the output of the laser beam L (measured at a position 20 mm below the nozzle 3) is taken on the vertical axis, and the horizontal axis The relationship between the two is displayed by taking the distance between the introduction window and the nozzle.

図7に示すように、導入窓−ノズル間距離を3mmとした場合には、入力が24Wの場合には約17.2Wの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。また、入力が19Wの場合には約14.2Wの出力を得ることができ、その後は漸増するように推移する。この結果は、導入窓−ノズル間距離が大きくなると、入射したレーザー光が全液体中を透過する距離が長くなるにも関わらず、液体中を透過することによるレーザー光のパワーの低下は逆に少なくなることを示している。   As shown in FIG. 7, when the distance between the introduction window and the nozzle is 3 mm, when the input is 24 W, an output of about 17.2 W can be obtained, and thereafter, the output gradually increases. Further, when the input is 19 W, an output of about 14.2 W can be obtained, and thereafter, the output gradually increases. As a result, as the distance between the introduction window and the nozzle increases, the laser beam power decreases due to transmission through the liquid even though the distance through which the incident laser beam passes through the entire liquid becomes longer. It shows that it will decrease.

ここで、レーザー光Lの出力は、噴流液柱Fの中を伝搬するレーザー光Lの伝搬効率を意味する。つまり、噴流液柱Fがレーザー光の伝搬媒体としての適格性の程度を示すものであり、レーザー光Lの出力が高いほど、噴流液柱Fが安定した層流状態であると認められる。この点、導入窓−ノズル間距離を大きく採れば、次第に安定した層流状態を形成し、その層流状態を維持するものと認められる。   Here, the output of the laser beam L means the propagation efficiency of the laser beam L propagating through the jet liquid column F. That is, the jet liquid column F indicates the degree of suitability as a laser light propagation medium, and it is recognized that the higher the output of the laser light L, the more stable the jet liquid column F is. In this regard, if a large distance between the introduction window and the nozzle is taken, it is recognized that a stable laminar flow state is formed and the laminar flow state is maintained.

このように、液体貯留室83におけるノズルの軸線G方向の奥行きを2mm以上である3mm確保したことで、高圧水の流速が奥行き方向で減速されて、ノズル3の上流側においてより安定した層流状態で液体貯留室83に貯留される。
このため、より噴流液柱Fの表面に乱れが生じ難くゆらぎのない噴流液柱Fをノズル3から噴射することができ、噴流液柱F内に導かれたレーザー光Lの伝搬効率を向上させることができる(図7参照)。
Thus, by ensuring the depth of the nozzle G in the liquid storage chamber 83 in the direction of the axis G of 3 mm, which is 2 mm or more, the flow rate of the high-pressure water is decelerated in the depth direction, and a more stable laminar flow on the upstream side of the nozzle 3 In the state, it is stored in the liquid storage chamber 83.
For this reason, the jet liquid column F that is less likely to be disturbed on the surface of the jet liquid column F and that does not fluctuate can be ejected from the nozzle 3, and the propagation efficiency of the laser light L guided into the jet liquid column F is improved. (See FIG. 7).

次に、図8を参照して、レーザー光としてグリーンレーザーを使用した場合の伝搬効率について説明する。
図8は、グリーンレーザーを水の噴流液柱に通過させた際の、ノズルの入口開口部からの距離dに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示すグラフである。ここで、グリーンレーザーの出力を24W、ノズル径100μm、水圧10MPaとした。
Next, the propagation efficiency when a green laser is used as the laser light will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a graph showing the propagation efficiency of the green laser with respect to the distance d from the inlet opening of the nozzle when the green laser is passed through the jet column of water. Here, the output of the green laser was 24 W, the nozzle diameter was 100 μm, and the water pressure was 10 MPa.

この図8に示すように、グリーンレーザーの伝搬効率は、液体貯留室の高さHが高くなるに従って漸増している。前述のように、液体貯留室の高さHが高くなるとレーザー光が液体中を通過する距離が長くなるので、レーザー光が液体により吸収され、レーザー光の伝搬効率が低下するはずであるが、実際には伝搬効率が上昇する。これは、液体貯留室の高さHを高くすることにより、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れが減少したためと考えられる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、この図8に示すように、液体貯留室の高さHが4mm程度までは、流れの乱れを減少させることによる効果が増大し、伝搬効率が向上することが分かる。   As shown in FIG. 8, the propagation efficiency of the green laser gradually increases as the height H of the liquid storage chamber increases. As described above, when the height H of the liquid storage chamber is increased, the distance that the laser light passes through the liquid is increased, so that the laser light is absorbed by the liquid and the propagation efficiency of the laser light should be reduced. Actually, propagation efficiency increases. This is presumably because the turbulence of the flow in the liquid storage chamber and the jet liquid column is reduced by increasing the height H of the liquid storage chamber. Therefore, when the green laser is used, as shown in FIG. 8, the effect of reducing the flow disturbance is increased and the propagation efficiency is improved until the height H of the liquid storage chamber is about 4 mm. I understand that.

一方、液体貯留室の高さHが小さい場合において、レーザー光の伝搬効率が低下しているのは、熱レンズの影響によるものではなく、液体貯留室の高さHが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流の流れが不安定になったためと考えられる。即ち、液体貯留室の高さHが小さくなったことにより、ノズルの入口開口部の上流側の領域での水の流れが乱流となって噴流液柱が乱れ、レーザー光を良好に導光することができなかったためと考えられる。   On the other hand, when the height H of the liquid storage chamber is small, the propagation efficiency of the laser beam is not reduced by the influence of the thermal lens, but by the height H of the liquid storage chamber being reduced, This is probably because the flow upstream of the inlet opening of the nozzle has become unstable. That is, since the height H of the liquid storage chamber is reduced, the flow of water in the region upstream of the inlet opening of the nozzle becomes turbulent, disturbing the jet liquid column and guiding the laser beam well. It is thought that it was because it was not possible.

以上のことより、レーザー光として水に対する熱吸収率の低いグリーンレーザーを用いた場合には、熱レンズの影響は非常に少なく、またはほとんど影響がない。したがって、水に対する吸収率の低いレーザー光を使用した場合には、特許文献1に記載されている装置のように、液体貯留室の高さHを低くして液体貯留室内における流速を大きくし、熱レンズを抑制する必要がない。逆に、液体貯留室の高さHを大きく設定することにより、液体貯留室内の流速を低下させ、液体貯留室内及び噴流液柱内における流れの乱れを抑制することにより、レーザー光の伝搬効率を向上させることができる。
このように、導入窓−ノズル間距離(液体貯留室の高さH)を大きく採れば採るほど、導入窓の保護とノズル3上部の層流形成には有利であるが、スペースの制約や応答性を考慮すれば、2〜40mmの間、ノズル3の直径との関係ではノズル径の20〜400倍の間で適宜設定するのが好ましい。
From the above, when a green laser having a low heat absorption rate with respect to water is used as the laser light, the influence of the thermal lens is very little or almost no influence. Therefore, when laser light having a low absorption rate for water is used, as in the apparatus described in Patent Document 1, the height H of the liquid storage chamber is decreased to increase the flow velocity in the liquid storage chamber, There is no need to suppress the thermal lens. Conversely, by setting the height H of the liquid storage chamber to be large, the flow velocity in the liquid storage chamber is reduced and the flow disturbance in the liquid storage chamber and the jet liquid column is suppressed, thereby improving the propagation efficiency of the laser beam. Can be improved.
As described above, the larger the distance between the introduction window and the nozzle (the height H of the liquid storage chamber), the more advantageous the protection of the introduction window and the laminar flow formation above the nozzle 3 are. In consideration of the properties, it is preferable to set appropriately between 2 and 40 mm and between 20 and 400 times the nozzle diameter in relation to the diameter of the nozzle 3.

また、液体貯留室83におけるノズル3の軸線方向の奥行きを2mm以上である3mm確保することで、ノズル3の入口開口部31のレーザー集光点から導入窓53等(図2の実施例においては、集光レンズ52)を隔離することができるため、導入窓53等の熱歪み等を回避して安定した光学性能を確保するとともに、耐久性を向上させて安定した加工品質を確保することができる。   Further, by securing a depth of 2 mm or more in the axial direction of the nozzle 3 in the liquid storage chamber 83 from the laser condensing point of the inlet opening 31 of the nozzle 3 to the introduction window 53 (in the embodiment of FIG. 2) Since the condenser lens 52) can be isolated, it is possible to avoid the thermal distortion of the introduction window 53 and the like to ensure stable optical performance, and to improve durability and ensure stable processing quality. it can.

なお、本実施形態においては、液体貯留室83におけるノズル3の軸線方向の奥行きを3mmとしたが、ノズル径を考慮して、ノズル径の20倍以上とすることもできる。すなわち、ノズル径が大きくなるとノズル3から噴射される流量が増大するため、ノズル3の軸線方向の奥行きを大きくした方がより層流状態を形成しやすくなるからである。例えば、ノズル径がφ150μmであれば、液体貯留室83におけるノズル3の軸線方向の奥行きを3mm以上である例えば4〜5mmとする方が好ましい。   In the present embodiment, the depth of the nozzle 3 in the axial direction in the liquid storage chamber 83 is 3 mm. However, in consideration of the nozzle diameter, it may be 20 times or more the nozzle diameter. That is, as the nozzle diameter increases, the flow rate ejected from the nozzle 3 increases, so that the laminar flow state is more easily formed when the depth of the nozzle 3 in the axial direction is increased. For example, if the nozzle diameter is φ150 μm, the depth of the nozzle 3 in the liquid storage chamber 83 in the axial direction is preferably 3 mm or more, for example, 4 to 5 mm.

[本実施形態に係る液体貯留室の高さと、液体貯留室内の液体の流速の関係]
次に、図9を参照して、本実施形態に係る液体貯留室83内でレーザー光Lが照射される領域周面での流速と、従来の構造による液体供給路内でレーザー光が照射される領域周面での流速とを比較する。
[Relationship between height of liquid storage chamber according to this embodiment and flow velocity of liquid in liquid storage chamber]
Next, referring to FIG. 9, the laser light is irradiated in the liquid flow path having the conventional structure and the flow velocity in the region peripheral surface where the laser light L is irradiated in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment. Compare the flow velocity at the peripheral surface.

図9は、ノズル周辺における液体貯留室(液体供給路)の構造を模式的に示す図である。この図9において、液体貯留室120内でレーザー光Lが照射される領域Uは、導入窓122とノズル124の入口開口部126との間に形成される円錐台となる。この円錐台領域Uの周面(側面)を通過する液体の平均流速を、本実施形態に係る液体貯留室83を用いた場合と、特許文献1に記載された装置の液体供給路を用いた場合とでそれぞれ算出し、比較する。   FIG. 9 is a diagram schematically showing the structure of the liquid storage chamber (liquid supply path) around the nozzle. In FIG. 9, the region U irradiated with the laser light L in the liquid storage chamber 120 is a truncated cone formed between the introduction window 122 and the inlet opening 126 of the nozzle 124. The average flow velocity of the liquid passing through the peripheral surface (side surface) of the truncated cone region U is determined using the liquid storage chamber 83 according to this embodiment and the liquid supply path of the device described in Patent Document 1. Calculate and compare each case.

ここで、本実施形態に係る液体貯留室83では、ノズルの軸線G方向の奥行きHは、好ましい奥行き寸法範囲の最小値であるH=2mmとする。また、従来の構造として特許文献1に記載された液体供給流路では、H=0.5mmとする。なお、その他の条件は、互いに共通の値に設定する。具体的には、噴流液体として水を用い、ノズル径を150μm、水の供給圧力を80バール(8MPa)とする。また、円錐台領域U側面の軸線に対する角度θは、水柱内でレーザー光を全反射させることができ、且つノズル径より小さな集光径を得るために、通常10°前後で使用されるため、ここでは10°に設定する。   Here, in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, the depth H of the nozzle in the axis G direction is set to H = 2 mm, which is the minimum value of the preferred depth dimension range. In the liquid supply flow path described in Patent Document 1 as a conventional structure, H = 0.5 mm. Other conditions are set to common values. Specifically, water is used as the jet liquid, the nozzle diameter is 150 μm, and the water supply pressure is 80 bar (8 MPa). In addition, the angle θ with respect to the axis of the side surface of the truncated cone region U can be totally reflected in the water column, and is usually used at around 10 ° in order to obtain a light collection diameter smaller than the nozzle diameter. Here, it is set to 10 °.

以上のような条件において、水の流量Qは、次の式1により、1700mm3/sである。 Under the above conditions, the flow rate Q of water is 1700 mm 3 / s according to the following equation 1.

また、円錐台領域Uの側表面積Aは、次の式2により求められる。ここで、rは円錐台領域Uの頂面の円形半径であり、これはノズルの半径と等しく、r=75μmである。Rは、円錐台領域Uの底面の円形半径であり、R=H・tanθで求められる。また、Lは、円錐台領域Uの側面に沿った長さであり、L=H/cosθで求められる。   Further, the side surface area A of the truncated cone region U is obtained by the following equation 2. Here, r is the circular radius of the top surface of the truncated cone region U, which is equal to the radius of the nozzle, and r = 75 μm. R is the circular radius of the bottom surface of the truncated cone region U, and is obtained by R = H · tan θ. L is the length along the side surface of the truncated cone region U, and is obtained by L = H / cos θ.

よって、液体貯留室内における円錐台領域Uの周面(側面)を通過する液体の平均流速はQ/Aにより計算されるので、本実施形態に係る液体貯留室83を用いた場合の平均流速V1と、特許文献1に記載された装置の平均流速V2の比Rは、次の式3により求められる。   Therefore, since the average flow velocity of the liquid passing through the peripheral surface (side surface) of the truncated cone region U in the liquid storage chamber is calculated by Q / A, the average flow velocity V1 when the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment is used. And the ratio R of the average flow velocity V2 of the apparatus described in Patent Document 1 is obtained by the following Equation 3.

以上の式より、比Rを求めると、R=1/10.5となる。また、本実施形態に係る液体貯留室83においては、平均流速は623.3mm/sec、特許文献1に記載された装置においては、平均流速は6542mm/secと計算され、本実施形態のレーザー加工装置は、従来の装置と比較して、平均流速が非常に遅いことがわかる。
即ち、本実施形態に係る液体貯留室83を用いた場合には、液体貯留室83内の水の流速は、従来の構造の液体供給路内の水の流速の約10分の1になる。なお、本実施形態に係る液体貯留室83の奥行きを、より好ましい4mmとすれば、平均流速は更に低下し、平均流速の比Rは約1/38になる。
From the above formula, when the ratio R is obtained, R = 1 / 10.5. Further, in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, the average flow velocity is calculated as 623.3 mm / sec, and in the apparatus described in Patent Document 1, the average flow velocity is calculated as 6542 mm / sec. It can be seen that the device has a very slow average flow rate compared to conventional devices.
That is, when the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment is used, the flow rate of water in the liquid storage chamber 83 is about 1/10 of the flow rate of water in the liquid supply path of the conventional structure. In addition, if the depth of the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment is set to a more preferable 4 mm, the average flow velocity is further reduced, and the average flow velocity ratio R is about 1/38.

以上のことにより、液体貯留室83の軸線G方向の奥行きを大きく、より具体的には2mm以上、より好ましくは4mm以上とすることにより、従来構造の液体供給路を用いた場合よりも、液体貯留室83内の水の流速を格段に小さくすることができることが分かる。このように、液体貯留室83内に水を滞留させてその流速を小さくすることは、前述のように、ノズル3手前で水の安定した層流状態を作り出すのに効果的である。   As described above, the depth of the liquid storage chamber 83 in the direction of the axis G is increased, more specifically, 2 mm or more, more preferably 4 mm or more, so that the liquid supply channel of the conventional structure is used. It can be seen that the flow rate of water in the storage chamber 83 can be significantly reduced. Thus, retaining water in the liquid storage chamber 83 to reduce the flow velocity is effective in creating a stable laminar flow state of water before the nozzle 3 as described above.

即ち、特許文献1記載の装置においては、円錐台領域Uにおける熱レンズの発生を抑制することを主眼におき、液体供給路の奥行きを小さく設定して液体供給路内の水の流速を大きくする構造としていた。そのため、液体供給路内の水が乱流となりやすく、噴流液柱が乱れるので、熱レンズの発生を抑制してもレーザー光の伝搬効率をあまり高くすることができなかった。これに対して、本実施形態に係る液体貯留室83では、液体貯留室83の奥行きを大きく設定することにより、液体貯留室83内に水を滞留させて流速を小さくし、層流状態を形成することができる。これにより、乱れのない噴流液柱Fを形成することができ、レーザー光の伝搬効率をも高めることができる。   That is, in the apparatus described in Patent Document 1, the main point is to suppress the generation of the thermal lens in the truncated cone region U, and the depth of the liquid supply path is set small to increase the flow rate of water in the liquid supply path. It had a structure. For this reason, the water in the liquid supply path tends to be turbulent, and the jet liquid column is disturbed. Therefore, even if the generation of the thermal lens is suppressed, the propagation efficiency of the laser beam cannot be increased so much. On the other hand, in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, by setting the depth of the liquid storage chamber 83 to be large, water is retained in the liquid storage chamber 83 to reduce the flow velocity, thereby forming a laminar flow state. can do. Thereby, the turbulent jet liquid column F can be formed, and the propagation efficiency of laser light can also be improved.

[本実施形態に係る液体貯留室内の水のレイノルズ数について]
次に、図9の例を用いて、本実施形態に係る液体貯留室83内の円錐台領域Uの水のレイノルズ数と、従来の構造による液体供給路内の円錐台領域Uの水のレイノルズ数とを比較する。
前述の図9に示す模式図において、奥行きHを2mm及び4mmとした本実施形態に係る液体貯留室83の構造の場合と、奥行きHを0.5mmとした、特許文献1記載の装置におけるレイノルズ数を計算する。
[Reynolds number of water in the liquid storage chamber according to the present embodiment]
Next, referring to the example of FIG. 9, the Reynolds number of the water in the truncated cone region U in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment and the Reynolds of the water in the truncated cone region U in the liquid supply path according to the conventional structure. Compare the number.
In the schematic diagram shown in FIG. 9 described above, the Reynolds in the case of the structure of the liquid storage chamber 83 according to this embodiment in which the depth H is 2 mm and 4 mm and the apparatus described in Patent Document 1 in which the depth H is 0.5 mm. Calculate the number.

レイノルズ数は、次の式4で表され、ここで、Vは平均流速、Lは、図9に示すように円錐台領域Uにおける周面に沿ったノズルと導入窓の間の長さ、νは20℃における水の動粘性係数である。平均速度Vは、式3を利用して計算した値を使用し、本実施形態に係る液体貯留室83において、奥行きH=2mmの場合には0.623m/s、奥行きH=4mmの場合には0.171m/s、従来の構造の液体供給路の奥行きH=0.5mmの場合には6.542m/sである。また、水の動粘性係数νは、1.01×10ー62/sとする。 The Reynolds number is expressed by the following equation 4, where V is the average flow velocity, L is the length between the nozzle and the introduction window along the peripheral surface in the truncated cone region U, as shown in FIG. Is the kinematic viscosity of water at 20 ° C. For the average velocity V, a value calculated using Equation 3 is used. In the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, when the depth H = 2 mm, 0.623 m / s, and when the depth H = 4 mm, Is 0.171 m / s, and 6.542 m / s when the depth H of the liquid supply passage having the conventional structure is 0.5 mm. The kinematic viscosity coefficient ν of water is 1.01 × 10 −6 m 2 / s.

以上の計算により求めた各条件でのレイノルズ数Reは、奥行きH=2mmの場合でRe=1252、奥行きH=4mmの場合でRe=688、奥行きH=0.5mmの場合で3288となった。ここで、ノズル3及び導入窓53の平行な平面で囲まれる加工ヘッド4のような構造では、乱流と層流との境界となる最小臨界レイノルズ数は、平行壁の流れにおける最小管路の最小臨界レイノルズ数と同等であると考えられ、Re=1000とされている。したがって、従来の構造の液体供給路では、レイノルズ数が3288と、最小臨界レイノルズ数を大きく上回る数値となっており、液体供給路内が乱流の発生しやすい状態となっていることがわかる。   The Reynolds number Re under each condition obtained by the above calculation was Re = 11252 when the depth H = 2 mm, Re = 688 when the depth H = 4 mm, and 3288 when the depth H = 0.5 mm. . Here, in the structure such as the machining head 4 surrounded by the parallel plane of the nozzle 3 and the introduction window 53, the minimum critical Reynolds number that becomes the boundary between the turbulent flow and the laminar flow is the minimum pipe line in the parallel wall flow. It is considered to be equivalent to the minimum critical Reynolds number, and Re = 1000. Therefore, in the liquid supply path having the conventional structure, the Reynolds number is 3288, which is a numerical value significantly exceeding the minimum critical Reynolds number, and it can be understood that the turbulent flow is easily generated in the liquid supply path.

なお、奥行きH=2mmの場合でも、レイノルズ数Reが、最小臨界レイノルズ数を越えているが、これは、ノズル径を150μmにした場合の数値である。ノズル径をより小さいものにした場合には、ノズルを流れる液体の流量が少なくなるため、レイノルズ数Reも小さくなる。したがって、より小さな径のノズルを使用する場合には、奥行きH=2mmでも乱流を起こさない条件を作ることは可能であり、したがって、奥行き寸法は、使用するノズル径等の設定値に応じて適宜設定する必要がある。その点、奥行きH=4mm以上とすれば、乱流を起こさずに使用することができるノズル径範囲が大きくなるので、液体貯留室を設計する際に奥行きH=4mm以上に設定すれば、加工ヘッドにより汎用性を持たせることができる。   Even when the depth H is 2 mm, the Reynolds number Re exceeds the minimum critical Reynolds number. This is a numerical value when the nozzle diameter is 150 μm. When the nozzle diameter is made smaller, the flow rate of the liquid flowing through the nozzle is reduced, so that the Reynolds number Re is also reduced. Therefore, when a nozzle having a smaller diameter is used, it is possible to create a condition that does not cause turbulence even at a depth H = 2 mm. Therefore, the depth dimension depends on a set value such as a nozzle diameter to be used. It is necessary to set appropriately. In this regard, if the depth H is 4 mm or more, the nozzle diameter range that can be used without causing turbulent flow is increased. Therefore, if the depth H is set to 4 mm or more when the liquid storage chamber is designed, processing is performed. Generality can be given by the head.

[本実施形態に係る液体貯留室内の液体の流速の分布について]
上記のように、本実施形態のレーザー加工装置においては、液体貯留室83内の平均流速が特許文献1記載の装置に比べ非常に遅いことがわかる。
ここでは、数値計算による流体シミュレーションを使用して、更に詳細に、本実施形態に係る液体貯留室83内の流速の分布と、従来の構造による液体供給路内の流速の分布とを比較する。なお、特許文献1に記載された従来の構造による液体供給路は、ノズルの軸線方向の奥行きが、本実施形態に係る液体貯留室83よりも小さい点で、本実施形態に係る液体貯留室83と大きく異なる。
[Distribution of flow velocity of liquid in liquid storage chamber according to this embodiment]
As described above, in the laser processing apparatus of this embodiment, it can be seen that the average flow velocity in the liquid storage chamber 83 is very slow compared to the apparatus described in Patent Document 1.
Here, the flow rate distribution in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment and the flow rate distribution in the liquid supply path according to the conventional structure are compared in more detail using a fluid simulation by numerical calculation. In addition, the liquid supply path by the conventional structure described in Patent Document 1 has a liquid storage chamber 83 according to this embodiment in that the depth in the axial direction of the nozzle is smaller than that of the liquid storage chamber 83 according to this embodiment. And very different.

図10は、本実施形態に係る液体貯留室83内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室83のモデル100を示す。モデル100は、直径10mm、高さ4mmの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズル3に対応する直径100μmの孔102が形成されている。流速分布シミュレーションは、モデル100の周面から一様に6.25mm/sの速度で流体が流入し、孔102から一様に100m/sの速度で流体が流出するという条件下で行った。   FIG. 10 shows a model 100 of the liquid storage chamber 83 used for calculating the flow velocity distribution in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment. The model 100 is formed in a substantially cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a height of 4 mm, and a hole 102 having a diameter of 100 μm corresponding to the nozzle 3 is formed at the center of the bottom surface. The flow velocity distribution simulation was performed under the condition that the fluid uniformly flows from the peripheral surface of the model 100 at a velocity of 6.25 mm / s and flows uniformly from the hole 102 at a velocity of 100 m / s.

一方、図11は、従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデル104を示す。モデル104は、直径10mm、高さ0.5mmの略円柱に形成され、その底面中央に、ノズルに対応する直径100μmの孔106が形成されている。流速分布シミュレーションは、孔106からの流体の流出速度が、本実施形態における計算条件と同じ100m/sとなるように、モデル104の周面からの流入速度を50mm/sとして行った。   On the other hand, FIG. 11 shows a model 104 of the liquid supply path used for calculating the flow velocity distribution in the liquid supply path of the conventional structure. The model 104 is formed in a substantially cylindrical shape having a diameter of 10 mm and a height of 0.5 mm, and a hole 106 having a diameter of 100 μm corresponding to the nozzle is formed at the center of the bottom surface. In the flow velocity distribution simulation, the inflow velocity from the peripheral surface of the model 104 was set to 50 mm / s so that the outflow velocity of the fluid from the hole 106 was 100 m / s which was the same as the calculation condition in the present embodiment.

図12及び図13は、本実施形態に係る液体貯留室であるモデル100を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示し、図14及び図15は、特許文献1のモデルであるモデル104を使用した場合の水の流速分布のシミュレーション結果を示す。ここで、図12及び図14は、各モデルの孔の軸線に沿った断面における流速分布である。これらの図は、モデル100、104内の各点における流速を、その点から延びるベクトルの向きと大きさで表したものであり、ベクトルの長さが大きいほど、流速が大きいことを示す。図13及び図15は、液体貯留室内、液体供給空間内における液体の流線と、各部における流速の分布をほぼ同じ流速の領域ごとに大まかに区切って表したものである。図13及び図15において、領域Iは流速約0.125m/sec以下の領域を表し、領域IIは流速約0.125〜0.25m/secの領域を表し、領域IIIは流速約0.25〜0.75m/secの領域を表し、領域IVは流速約0.75〜0.875m/secの領域を表し、領域Vは流速が約0.875m/secよりも大きいの領域を表している。なお、図15においては、流速が約0.25m/sec以下となる領域(領域I及びII)は殆ど見られなかった。   12 and 13 show the simulation results of the flow velocity distribution of water when the model 100 that is the liquid storage chamber according to the present embodiment is used, and FIGS. 14 and 15 show the model 104 that is a model of Patent Document 1. FIG. The simulation result of the flow velocity distribution of water when using is shown. Here, FIG.12 and FIG.14 is the flow-velocity distribution in the cross section along the axis line of the hole of each model. These figures show the flow velocity at each point in the models 100 and 104 by the direction and size of the vector extending from that point, and the larger the vector length, the larger the flow velocity. FIG. 13 and FIG. 15 show the flow lines of the liquid in the liquid storage chamber and the liquid supply space and the distribution of the flow velocity in each part roughly divided for each region having substantially the same flow velocity. 13 and 15, region I represents a region having a flow velocity of about 0.125 m / sec or less, region II represents a region having a flow velocity of about 0.125 to 0.25 m / sec, and region III represents a flow velocity of about 0.25. Represents an area of ~ 0.75 m / sec, area IV represents an area with a flow velocity of about 0.75 to 0.875 m / sec, and area V represents an area with a flow velocity greater than about 0.875 m / sec. . In addition, in FIG. 15, the area | region (area | regions I and II) used as the flow velocity about 0.25 m / sec or less was hardly seen.

図12及び図13に示すように、本実施形態に係るモデル100内の水は、孔102の近傍以外で移動が少なく、流速が小さい。また、孔102の上部の広い領域に亘って流速が非常に小さくなっている。
一方、図14乃至図15に示すように、特許文献1のモデルであるモデル104においては、液体供給空間全体に亘って水の流速がモデル100の場合と比較して大きく、特に孔106の上部の領域では、液体供給空間の上端まで流速が非常に大きくなっていることが認められる。また、水の流れは、孔106の外周側から中央の孔106に向かって、孔106の軸線方向に垂直な方向に移動し、孔106の上部で、流れの方向が孔106の軸線方向に垂直な方向から軸線方向に沿った方向に急激に変化している。
As shown in FIGS. 12 and 13, the water in the model 100 according to the present embodiment moves little and has a low flow velocity except in the vicinity of the hole 102. Also, the flow velocity is very small over a wide area above the hole 102.
On the other hand, as shown in FIGS. 14 to 15, in the model 104 which is a model of Patent Document 1, the flow rate of water is larger than that of the model 100 over the entire liquid supply space, and particularly in the upper part of the hole 106. In this region, it is recognized that the flow velocity is very large up to the upper end of the liquid supply space. Further, the water flow moves from the outer peripheral side of the hole 106 toward the center hole 106 in a direction perpendicular to the axial direction of the hole 106, and the direction of the flow is in the axial direction of the hole 106 above the hole 106. It changes rapidly from the vertical direction to the direction along the axial direction.

以上のことより、モデル100、104の円柱の高さ、即ち、液体貯留室、液体供給空間のノズル3の軸線Gに沿った方向の奥行きを、本実施形態に係る液体貯留室83のように従来の構造より大きく設定して、液体貯留室83内に水を滞留させることにより、液体貯留室83内の水の流速を従来の構造の場合より小さくすることができることが分かる。これにより、液体貯留室83内においてノズル3の上流側で層流状態が形成され、ノズル3から噴射される噴流液柱Fの表面の乱れの発生を効果的に抑制することができる。   From the above, the height of the cylinders of the models 100 and 104, that is, the depth in the direction along the axis G of the nozzle 3 of the liquid storage chamber and the liquid supply space is set as in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment. It can be seen that the flow rate of water in the liquid storage chamber 83 can be made smaller than that in the conventional structure by setting water larger than that in the conventional structure and retaining water in the liquid storage chamber 83. Thereby, a laminar flow state is formed on the upstream side of the nozzle 3 in the liquid storage chamber 83, and the occurrence of turbulence on the surface of the jet liquid column F ejected from the nozzle 3 can be effectively suppressed.

[本実施形態に係る液体貯留室内の液体の乱流エネルギの分布について]
次に、本実施形態に係る液体貯留室83内の乱流エネルギと、特許文献1記載の構造における液体供給路内の乱流エネルギとを比較する。なお、乱流エネルギとは、乱流の各方向における変動速度成分の2乗和の時間平均を2で除することによって計算される量であり、流れの乱れの度合いを表すものである。
[Distribution of Turbulent Energy of Liquid in Liquid Storage Chamber According to this Embodiment]
Next, the turbulent energy in the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment is compared with the turbulent energy in the liquid supply path in the structure described in Patent Document 1. The turbulent energy is an amount calculated by dividing the time average of the square sum of the fluctuation velocity component in each direction of the turbulent flow by 2, and represents the degree of turbulent flow.

前述の図10及び図11のモデル100、104を用いて、孔102、106が形成された面から0.01mmの距離における、円柱の軸線に垂直な平面での乱流エネルギの分布を、数値流体シミュレーションによりそれぞれ計算する。
図16は、本実施形態に係る液体貯留室83に対応するモデル100の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表し、図17は、従来の構造の液体供給路に対応するモデル104の乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表す。なお、乱流エネルギの値は、XI、XII、XIII、XIV、XVの順に大きくなっている。
Using the models 100 and 104 of FIGS. 10 and 11 described above, the distribution of turbulent energy in a plane perpendicular to the axis of the cylinder at a distance of 0.01 mm from the surface in which the holes 102 and 106 are formed is expressed numerically. Calculation is performed by fluid simulation.
16 schematically shows the simulation result of the turbulent energy distribution of the model 100 corresponding to the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, and FIG. 17 shows the model 104 corresponding to the liquid supply path having the conventional structure. The simulation result of the distribution of turbulent energy is schematically represented. Note that the value of turbulent energy increases in the order of XI, XII, XIII, XIV, and XV.

図16に示すように、モデル100の乱流エネルギは、孔102近傍を除くほとんどの範囲において均一に小さい値となっており、孔102近傍において乱流エネルギの比較的高い部分が対称に、略円形に認められる。
一方、図17に示すように、モデル104の乱流エネルギは、孔106の周囲の広い範囲で図16よりも高い乱流エネルギを示し、その分布は非対称となっている。これは、モデル104内の流れが均一でなく、巻き込みなどの不均一な流れ(乱れ)が生じていることがわかる。
As shown in FIG. 16, the turbulent energy of the model 100 is uniformly small in most ranges except for the vicinity of the hole 102, and the relatively high part of the turbulent energy in the vicinity of the hole 102 is approximately symmetrical. It is recognized as a circle.
On the other hand, as shown in FIG. 17, the turbulent energy of the model 104 shows higher turbulent energy than that of FIG. 16 in a wide range around the hole 106, and its distribution is asymmetric. This indicates that the flow in the model 104 is not uniform, and non-uniform flow (disturbance) such as entrainment occurs.

以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室83に対応するモデル100では、液体貯留室の高さH、即ち液体貯留室83のノズル3の軸線Gに沿った方向の奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、液体貯留室83の軸線Gに垂直な方向について均一で且つ乱れの少ない液体の流れを作ることができることが分かる。
また、図10及び図11に示すモデル100、104での流れ場における乱流エネルギの最大値は、図10に示すモデルで124m2/s2であり、図11に示すモデルで307m2/s2である。このことからも、モデル100に対応する本実施形態の液体貯留室83の構造の方が、モデル104に対応する従来の構造よりも乱流の発生を効果的に抑制できることがわかる。
From the above, in the model 100 corresponding to the liquid storage chamber 83 according to the present embodiment, the height H of the liquid storage chamber, that is, the depth in the direction along the axis G of the nozzle 3 of the liquid storage chamber 83 is the conventional structure. It can be seen that the liquid flow can be made uniform and less turbulent in the direction perpendicular to the axis G of the liquid storage chamber 83 by setting a larger value.
Further, the maximum value of the turbulent energy in the flow field in the models 100 and 104 shown in FIGS. 10 and 11 is 124 m 2 / s 2 in the model shown in FIG. 10 and 307 m 2 / s in the model shown in FIG. 2 . This also shows that the structure of the liquid storage chamber 83 of the present embodiment corresponding to the model 100 can more effectively suppress the occurrence of turbulence than the conventional structure corresponding to the model 104.

[本実施形態に係るノズル近傍の水の移動経路について]
次に、本実施形態に係るノズル近傍での水の移動経路と、従来の構造による近傍での水の移動経路とを実験により比較する。
[About the movement path of water near the nozzle according to the present embodiment]
Next, the water movement path in the vicinity of the nozzle according to the present embodiment and the water movement path in the vicinity of the conventional structure are compared by experiments.

前述の図12乃至図17に示したシミュレーション結果を実際に確認するために、図10及び図11と同様の実際のモデルを作製し、観察粒子として塗料粒子を混入した水を流して、塗料粒子を高速度ビデオカメラでそれぞれ撮影した。このとき、ノズルに対応する孔の径は200μm、水の噴射圧は2MPa、塗料粒子の粒子径は20〜60μmとした。また、高速度ビデオの撮影条件は、Photoron FASTCAM−MAX model120kを用いて、図10のモデルでは、6000fpsの撮影コマ数で、図11のモデルでは4000fpsの撮影コマ数で撮影した。   In order to actually confirm the simulation results shown in FIGS. 12 to 17, an actual model similar to that shown in FIGS. 10 and 11 is prepared, and water mixed with paint particles is flowed as observation particles. Were each shot with a high-speed video camera. At this time, the diameter of the hole corresponding to the nozzle was 200 μm, the spray pressure of water was 2 MPa, and the particle diameter of the paint particles was 20 to 60 μm. The high-speed video was shot using the Phototron FASTCAM-MAX model 120k with a shooting frame number of 6000 fps in the model of FIG. 10 and a shooting frame number of 4000 fps in the model of FIG.

図18は、本実施形態の液体貯留室83の構造に対応する図10の実際のモデルにおける水の移動を撮影した映像を模式的に表した図であり、図19は、従来の液体供給路の構造に対応する図11の実際のモデルにおける水の移動を表した図である。なお、これらの図は、異なる時間において撮影された観察粒子の画像を重ね合わせることにより、観察粒子の移動経路を示したものである。
図18に示すように、本実施形態の液体貯留室83の構造に対応するモデルでは、観察粒子は矢印に沿って、孔108の上方から乱れのない流線を描いて、孔108に向かって移動している。
一方、図19に示すように、従来の構造に対応するモデルでは、観察粒子は、孔110に対して孔110の周囲を巡るように、即ち渦流を起こしながら移動している。
これらのことは、前述の図16及び図17のシミュレーション結果とも一致する。
18 is a diagram schematically showing an image of water movement in the actual model of FIG. 10 corresponding to the structure of the liquid storage chamber 83 of the present embodiment, and FIG. 19 is a conventional liquid supply channel. It is a figure showing the movement of the water in the actual model of FIG. 11 corresponding to the structure of FIG. These drawings show the movement paths of observation particles by superimposing observation particle images taken at different times.
As shown in FIG. 18, in the model corresponding to the structure of the liquid storage chamber 83 of the present embodiment, the observation particle draws a streamline from above the hole 108 along the arrow and moves toward the hole 108. Has moved.
On the other hand, as shown in FIG. 19, in the model corresponding to the conventional structure, the observation particles move around the hole 110 with respect to the hole 110, that is, while causing a vortex.
These coincide with the simulation results shown in FIGS.

以上のことより、本実施形態に係る液体貯留室83の構造では、ノズルの軸線G方向に沿った奥行きを従来の構造よりも大きく設定することにより、水の巻き込みを防止して、水を均一な流れでノズルに流入させることができることが分かる。   As described above, in the structure of the liquid storage chamber 83 according to this embodiment, the depth along the nozzle axis G direction is set larger than that in the conventional structure, thereby preventing water entrainment and uniform water. It turns out that it can be made to flow into a nozzle by a simple flow.

[本実施形態に係るレーザー光の水への熱的影響について]
次に、特許文献1の装置において使用されている波長1064nmの基本波と本実施形態のレーザー加工装置において使用されている波長532nmの第二次高調波とを用いて、水中を進むレーザー光の水への熱的影響を説明する。
まず、IRレーザー及びグリーンレーザーについて、レーザー光の吸収による水の温度上昇について比較する。
[Thermal effect of laser light on water according to this embodiment]
Next, using the fundamental wave with a wavelength of 1064 nm used in the apparatus of Patent Document 1 and the second harmonic with a wavelength of 532 nm used in the laser processing apparatus of this embodiment, Explain the thermal effects on water.
First, the IR laser and the green laser are compared with respect to the temperature rise of water due to absorption of laser light.

図20(a)は、ノズル3の近傍の領域を模式的に示した図である。この図20(a)に示すように、レーザー光Lは、集光レンズ52で集光されながら導入窓53を通って液体貯留室83内の水中を進み、ノズル3の入口開口部31で集光する。したがって、液体貯留室83内の水中でレーザー光Lが照射される領域Nは、円錐形状となる。そこで、この円錐領域Nにおける水の温度上昇を計算する。   FIG. 20A is a diagram schematically showing a region in the vicinity of the nozzle 3. As shown in FIG. 20 (a), the laser beam L travels through the water in the liquid storage chamber 83 through the introduction window 53 while being collected by the condenser lens 52, and is collected at the inlet opening 31 of the nozzle 3. Shine. Therefore, the region N irradiated with the laser light L in the water in the liquid storage chamber 83 has a conical shape. Therefore, the temperature rise of water in this conical region N is calculated.

図20(b)は、レーザー光Lが照射される円錐領域Nを模式的に示す。この図20(b)において、円錐領域Nの底面中心の点Aから距離d離れたノズル3の入口開口部31の位置に対応する頂点Bまでの領域の水の温度上昇ΔTは、次の式5で求められる。   FIG. 20B schematically shows a conical region N irradiated with the laser light L. In FIG. 20B, the temperature rise ΔT of the water in the region up to the apex B corresponding to the position of the inlet opening 31 of the nozzle 3 away from the point A at the bottom center of the conical region N by the distance d is expressed by the following equation: 5 is required.

ここで、Pはレーザー光の出力(W)、αはレーザー光の水に対する吸収係数(cm-1)で、IRレーザーではαFM=1.44×10-1、グリーンレーザーではαSHG=4.47×10-4である。また、dは点Aからの距離(mm)、Cは水の比熱で、4.18(J/g・K)、ρは水の密度で、1(g・cm-3)、Jはノズル径150μm、噴射圧約4MPaのときの水の流量で、1.7(cm3/sec)、θは図20(a)に示すように、軸線Gに対する円錐領域Nの周面の角度で、tanθ=0.1である。 Here, P is the output (W) of the laser beam, α is the absorption coefficient (cm −1 ) of the laser beam with respect to water, α FM = 1.44 × 10 −1 for the IR laser, and α SHG = 4 for the green laser. .47 × 10 −4 . D is the distance from point A (mm), C is the specific heat of water, 4.18 (J / g · K), ρ is the density of water, 1 (g · cm −3 ), J is the nozzle The flow rate of water at a diameter of 150 μm and an injection pressure of about 4 MPa is 1.7 (cm 3 / sec), θ is the angle of the peripheral surface of the conical region N with respect to the axis G, as shown in FIG. = 0.1.

図21は、出力P=10(W)の場合の、点AからBの距離dに対する、レーザー光Lの吸収による水の温度上昇ΔTを示した図である。この図21に示すように、IRレーザーを照射した場合には、距離dが増加するにつれて、水の温度が比例的に上昇し、距離dが4mmの場合には、温度上昇ΔTは16.2℃となる。一方、グリーンレーザーを照射した場合には、距離dが増加しても水の温度はほとんど上昇せず、距離dが4mmの場合でも、温度上昇ΔTは0.05℃となる。このとき、水の温度上昇による屈折率変化Δnは、IRレーザーでΔnFM=1.3×10-3であり、グリーンレーザーではΔnSHG=−4×10-6となる。したがって、グリーンレーザーを使用した場合には、IRレーザーを使用した場合のように屈折率が大きく変化することはなく、レーザー光の透過に対する熱的影響をほとんど受けないことが分かる。 FIG. 21 is a diagram showing the temperature rise ΔT of water due to the absorption of the laser light L with respect to the distance d from point A to B when the output P = 10 (W). As shown in FIG. 21, when the IR laser is irradiated, the temperature of water rises proportionally as the distance d increases, and when the distance d is 4 mm, the temperature rise ΔT is 16.2. It becomes ℃. On the other hand, when the green laser is irradiated, the temperature of water hardly rises even when the distance d increases, and the temperature rise ΔT is 0.05 ° C. even when the distance d is 4 mm. At this time, the refractive index change Δn due to the temperature rise of water is Δn FM = 1.3 × 10 −3 for the IR laser and Δn SHG = −4 × 10 −6 for the green laser. Therefore, it can be seen that when the green laser is used, the refractive index does not change as much as when the IR laser is used, and is hardly affected by the thermal effect on the transmission of the laser light.

なお、IRレーザーを用いて、温度上昇をグリーンレーザーと同等に抑えるためには、点AからBの距離dを13μm程度にする必要がある。しかしながら、一方で、点Aからの距離dをそのように小さく設定すると、前述の通り、液体貯留室83内における流れの乱れが発生することになる。このことからも、グリーンレーザーを使用することが、乱れのない噴流液柱の形成を可能にしながら熱的影響を最小限に抑制するために有利であることがわかる。   In order to suppress the temperature rise to the same level as that of the green laser by using the IR laser, the distance d from the point A to B needs to be about 13 μm. However, on the other hand, if the distance d from the point A is set to be so small, the flow disturbance in the liquid storage chamber 83 occurs as described above. This also shows that the use of a green laser is advantageous for minimizing thermal effects while enabling the formation of a turbulent jet column.

以上のことより、グリーンレーザーを用いた場合には、距離dを4mmにしても、水の温度がほとんど上昇しないため、温度上昇に伴う水の屈折率の変化による熱レンズの影響を、IRレーザーを用いた場合よりも遙かに抑制することができる。また、グリーンレーザーを使用した場合には、円錐領域Nにおける熱的影響が小さいため、水の温度上昇を防止するよう水の流速を大きく設定する必要がなく、液体貯留室83の軸線G方向の奥行きを大きく設定して水の流速を小さくすることが可能となる。これにより、液体貯留室83内の水を層流状態に維持することができ、安定した乱れのない噴流液柱Fを噴射することができる。   From the above, when the green laser is used, even if the distance d is 4 mm, the temperature of the water hardly rises. Therefore, the influence of the thermal lens due to the change in the refractive index of the water accompanying the temperature rise is It is possible to suppress much more than when using. Further, when the green laser is used, since the thermal influence in the conical region N is small, it is not necessary to set a large flow rate of water so as to prevent an increase in the temperature of the water. It becomes possible to reduce the flow velocity of water by setting the depth large. Thereby, the water in the liquid storage chamber 83 can be maintained in a laminar flow state, and the jet liquid column F without any turbulence can be ejected.

次に、IRレーザー及びグリーンレーザーを使用した場合の、出力に対する水の温度変化量の関係について述べる。
図22は、点AからBの距離dを4mmに設定した場合の、IRレーザー及びグリーンレーザーの出力Pに対する円錐領域Nの水の温度変化量ΔTの関係を示した図である。なお、ノズル径は150μm、噴射圧力は4MPa、レーザー光Lの集光角度θは5.7°とした。図22に示すように、IRレーザーを用いた場合では、レーザー光の出力Pが増加するにつれて、水の温度変化量ΔTが比例的に増加する。一方、グリーンレーザーを使用した場合では、レーザー光の出力Pが増加しても、温度変化量ΔTはほとんど変化しない。
以上のことより、IRレーザーを使用する場合に比べ、グリーンレーザーを使用した場合には、距離dに対してだけでなく、レーザー光の出力Pに対しても、熱レンズの発生を抑制するのに有利であることが分かる。
Next, the relationship of the amount of change in water temperature with respect to the output when an IR laser and a green laser are used will be described.
FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the temperature change amount ΔT of the water in the conical region N with respect to the output P of the IR laser and the green laser when the distance d from the point A to B is set to 4 mm. The nozzle diameter was 150 μm, the injection pressure was 4 MPa, and the condensing angle θ of the laser beam L was 5.7 °. As shown in FIG. 22, when the IR laser is used, the temperature change amount ΔT of the water increases proportionally as the output P of the laser light increases. On the other hand, when the green laser is used, the temperature change ΔT hardly changes even if the output P of the laser beam increases.
From the above, compared to the case of using an IR laser, the use of a green laser suppresses the generation of a thermal lens not only for the distance d but also for the output P of the laser beam. It turns out that it is advantageous.

続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第1実施例について、図23を参照しながら説明する。図23は本発明の第1実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。
なお、図23において、前記した実施形態に係る加工ヘッド4と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
Next, a first example of the machining head according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a sectional side view showing the structure of the machining head according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 23, the same components as those of the machining head 4 according to the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本発明の第1実施例に係る加工ヘッド44は、図23に示すように、レーザー光Lの中心軸の位置を合わせるアライメント調整機構45とレーザー光Lの集光点の軸方向高さを合わせる軸方向調整機構46を備えている。
加工ヘッド44では、光学装置5を収容するハウジング441は、折れ曲がったクランク形状をなしており、ハウジング441の先端部に軸方向調整機構46を介してノズルヘッド442が装着されている。そして、加工ヘッド44の頂部から下方に放射されたレーザー光L1は、ビームスプリッター511により水平方向に反射される。この水平方向に反射されたレーザー光L2は、ビームスプリッター512により、レーザー光L1と平行な下方へ向けて再度反射される。この反射されたレーザー光L3は、集光レンズ52により、ノズル3の入口開口部31で集光される。
As shown in FIG. 23, the machining head 44 according to the first embodiment of the present invention aligns the axial height of the condensing point of the laser light L with the alignment adjusting mechanism 45 that aligns the position of the central axis of the laser light L. An axial adjustment mechanism 46 is provided.
In the processing head 44, the housing 441 that houses the optical device 5 has a bent crank shape, and the nozzle head 442 is attached to the distal end portion of the housing 441 via the axial adjustment mechanism 46. The laser beam L1 emitted downward from the top of the processing head 44 is reflected in the horizontal direction by the beam splitter 511. The laser beam L2 reflected in the horizontal direction is reflected again downward by the beam splitter 512 in parallel with the laser beam L1. The reflected laser light L3 is condensed by the condenser lens 52 at the inlet opening 31 of the nozzle 3.

ビームスプリッター511,512は、レーザー光Lを反射し、グリーン付近以外の可視光を透過する機能を有する。そして、ビームスプリッター511の背後(図23の右側)には、CCDカメラ513が配置され、ビームスプリッター512の背後(図23の上側)には光源としてLEDライト514が配置されている。
かかる構成により、LEDライト514によりノズル3の入口開口部31を照射し、CCDカメラ513によりレーザー光Lの焦点位置を確認することができる。
The beam splitters 511 and 512 have a function of reflecting the laser light L and transmitting visible light other than the vicinity of green. A CCD camera 513 is disposed behind the beam splitter 511 (right side in FIG. 23), and an LED light 514 is disposed as a light source behind the beam splitter 512 (upper side in FIG. 23).
With this configuration, the LED light 514 can irradiate the entrance opening 31 of the nozzle 3 and the CCD camera 513 can confirm the focal position of the laser light L.

アライメント調整機構45は、円周上で直交する方向3箇所に配置された調整ねじ45aと、ビームスプリッター512を保持するばね45bと、を備え、調整ねじ45aを押し引きして調整することで、ビームスプリッター512の角度を調整可能に構成されている。
かかる構成により、ノズル3の入口開口部31におけるレーザー光Lの焦点位置をCCDカメラ513で確認しながら、調整ねじ45aでビームスプリッター512の角度を調整することで、レーザー光Lの中心軸の位置をノズル3の入口開口部31に合わせることができる。
The alignment adjustment mechanism 45 includes an adjustment screw 45a disposed at three positions orthogonal to each other on the circumference and a spring 45b that holds the beam splitter 512, and is adjusted by pushing and pulling the adjustment screw 45a. The angle of the beam splitter 512 is configured to be adjustable.
With this configuration, the position of the central axis of the laser light L is adjusted by adjusting the angle of the beam splitter 512 with the adjusting screw 45a while confirming the focal position of the laser light L at the entrance opening 31 of the nozzle 3 with the CCD camera 513. Can be matched to the inlet opening 31 of the nozzle 3.

軸方向調整機構46は、ハウジング441の先端部に螺合されノズルヘッド442を保持する調整ナット46aと、ハウジング441の先端部に螺合され調整ナット46aの上部側を保持するロックナット46bと、調整ナット46aの外周部に螺合されノズルヘッド442を保持するロックナット46cと、を備え、ロックナット46b,46cには、それぞれバックラッシを除去するために軸方向に付勢するばね46d,46eが内蔵されている。   The axial adjustment mechanism 46 includes an adjustment nut 46a that is screwed to the tip of the housing 441 and holds the nozzle head 442, a lock nut 46b that is screwed to the tip of the housing 441 and holds the upper side of the adjustment nut 46a, A lock nut 46c that is screwed onto the outer periphery of the adjustment nut 46a and holds the nozzle head 442. The lock nuts 46b and 46c are respectively provided with springs 46d and 46e that are urged in the axial direction to remove backlash. Built in.

かかる構成により、ロックナット46b,46cを緩めた状態で調整ナット46aを回転させることで、ノズルヘッド442の軸方向位置を調整して、容易にレーザー光Lの集光点の軸方向高さをノズル3の入口開口部31に合わせることができる。また、ロックナット46b,46cで強固に固定でき、ばね46d,46eでバックラッシを除去しているため振動や衝撃に対しても強い構造となっている。このため、レーザー光Lを噴流液柱F内に効率よく安定して導光することが可能となる。   With this configuration, by rotating the adjustment nut 46a with the lock nuts 46b and 46c loosened, the axial position of the nozzle head 442 is adjusted, and the axial height of the condensing point of the laser light L can be easily adjusted. It can be adjusted to the inlet opening 31 of the nozzle 3. Further, the structure can be firmly fixed by the lock nuts 46b and 46c, and the backlash is removed by the springs 46d and 46e, so that the structure is strong against vibration and impact. For this reason, it becomes possible to guide the laser beam L efficiently and stably into the jet liquid column F.

続いて、本発明の実施形態に係る加工ヘッドの第2実施例について、図24を参照しながら説明する。図24(a)は本発明の第2実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(b)は(a)において封止部材を装着する場合を示す。
なお、図24において、前記した実施形態に係る加工ヘッド4と同様の構成要素については同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
Next, a second example of the machining head according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 24A is a partial cross-sectional side view showing a configuration around a nozzle in a processing head according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 24B shows a case where a sealing member is attached in FIG.
In FIG. 24, the same components as those of the machining head 4 according to the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本発明の第2実施例に係る加工ヘッド48,48’は、ハウジング445の中心軸とノズルの軸線Gとを合わせる調心機構49を備えたものである。
調心機構49は、図24(a),(b)に示すように、ノズル側に形成されたテーパ形状部491とハウジング側に形成されたテーパ形状部492とを係合させることで、ハウジング445の中心軸Gとノズルの軸線Gとが自動的に調心できるように構成されている。そして、ノズルキャップ30aをハウジング445,446に螺入することで、ノズル30,30’をハウジング445,446に固定することができる。
また、加工ヘッド48’は、図24(b)に示すように、封止部材であるOリング32をノズル30’の外周面に配設して、さらにシール性を高めたものである。
The machining heads 48 and 48 ′ according to the second embodiment of the present invention are provided with a centering mechanism 49 that aligns the center axis of the housing 445 with the axis G of the nozzle.
As shown in FIGS. 24 (a) and 24 (b), the aligning mechanism 49 engages a tapered portion 491 formed on the nozzle side with a tapered portion 492 formed on the housing side. The center axis G of 445 and the axis line G of the nozzle can be automatically aligned. The nozzles 30 and 30 ′ can be fixed to the housings 445 and 446 by screwing the nozzle cap 30 a into the housings 445 and 446.
Further, as shown in FIG. 24 (b), the processing head 48 ′ has an O-ring 32 as a sealing member disposed on the outer peripheral surface of the nozzle 30 ′ to further improve the sealing performance.

かかる構成により、調心機構49を備えたことで、ノズル30,30’を安定して保持するとともに、ノズル30,30’の交換を行なうたびにノズル30,30’の中心位置や直角度がずれて、噴流液柱Fが安定しないという問題を解決することができる。
また、ノズル30,30’をハウジング445,446に固定するノズルキャップ30aを備えたことで、ノズル30,30’の交換作業も容易となる。
With this configuration, the alignment mechanism 49 is provided, so that the nozzles 30 and 30 ′ can be stably held, and the center position and perpendicularity of the nozzles 30 and 30 ′ can be changed each time the nozzles 30 and 30 ′ are replaced. It is possible to solve the problem that the jet liquid column F is not stable due to the deviation.
Further, since the nozzle cap 30a for fixing the nozzles 30 and 30 ′ to the housings 445 and 446 is provided, the replacement work of the nozzles 30 and 30 ′ is facilitated.

続いて、本発明係る層流形成流路の変形例について、図25乃至図27を参照しながら説明する。図25は、本発明に係る層流形成流路の第1変形例の形状を示す斜視図であり、図26は、本発明に係る層流形成流路の第2変形例の形状を示す斜視図であり、図27は、本発明に係る層流形成流路の第3変形例の形状を示す斜視図である。   Next, a modification of the laminar flow forming channel according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 25 is a perspective view showing the shape of a first modification of the laminar flow forming flow channel according to the present invention, and FIG. 26 is a perspective view showing the shape of the second modification of the laminar flow forming flow channel according to the present invention. FIG. 27 is a perspective view showing the shape of a third modification of the laminar flow forming flow channel according to the present invention.

先ず、図25に示すように、本発明の第1変形例に係る層流形成流路200は、分配流路202の内周側壁面204が、内側且つ軸線Gの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成している。また、連絡流路206の内周面208も、内側且つ軸線Gの下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成しており、この内周面208と、内周側壁面204とは、連続した同一平面となっている。このような形状の層流形成流路200により、高圧ポンプから導入管210を通って導入された高圧水は、内側壁面204の傾斜面及び連絡流路206の傾斜面で案内されながら連絡流路206に流入する。したがって、層流形成流路200内の水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。   First, as shown in FIG. 25, in the laminar flow forming flow path 200 according to the first modified example of the present invention, the inner peripheral wall surface 204 of the distribution flow path 202 is inclined toward the inner side and the downstream side of the axis G. An inclined surface is formed. In addition, the inner peripheral surface 208 of the communication channel 206 also forms an inclined surface that is inclined inward and toward the downstream side of the axis G, and the inner peripheral surface 208 and the inner peripheral side wall surface 204 are continuous. It is the same plane. With the laminar flow forming flow path 200 having such a shape, the high pressure water introduced from the high pressure pump through the introduction pipe 210 is guided by the inclined surface of the inner wall surface 204 and the inclined surface of the communication flow channel 206. It flows into 206. Therefore, the flow of water in the laminar flow forming flow path 200 becomes smooth, and the generation of turbulent flow and vortices can be further suppressed.

次に、図26に示す第2変形例では、層流形成流路220の連絡流路222の外周面224、及び液体貯留室226の外周面228が内側に円弧状に湾曲している。この第2変形例では、連絡流路222の外周面224と液体貯留室226の外周面228は、連続した曲面を形成している。このような形状の層流形成流路220により、連絡流路222から液体貯留室226への水の流れが滑らかになり、乱流や渦の発生をより一層抑制することができる。   Next, in the second modified example shown in FIG. 26, the outer peripheral surface 224 of the connecting flow path 222 of the laminar flow forming flow path 220 and the outer peripheral face 228 of the liquid storage chamber 226 are curved inwardly in an arc shape. In the second modification, the outer peripheral surface 224 of the communication channel 222 and the outer peripheral surface 228 of the liquid storage chamber 226 form a continuous curved surface. With the laminar flow forming flow path 220 having such a shape, the flow of water from the communication flow path 222 to the liquid storage chamber 226 becomes smooth, and generation of turbulence and vortices can be further suppressed.

次に、図27に示す第3変形例では、層流形成流路240の分配流路242及び液体貯留室244の横断面は、それぞれ略矩形に形成されている。層流形成流路240の連絡流路246は、分配流路242の内側且つ軸線Gの下流側部分と、液体貯留室244の外側且つ軸線Gの上流側部分とを連通するように、軸線G方向に沿って形成されている。このような形状の層流形成流路240では、分配流路242に流入した水は、内周側壁面248に当たって分配流路242の全周にわたって行き渡り、また、軸線G方向下流側に向きを変えて内周側壁面248に沿って進み、連絡流路246に流入する。連絡流路246からの水は、液体貯留室244の外周側壁面250に沿って流入する。このような形状の層流形成流路240によれば、水が、分配流路242の内側壁面248及び液体貯留室244の外側壁面250に沿って移動することにより、壁面で水の渦を抑制することができる。これは、特に、連絡流路246を構造上長く形成することができない場合に有効である。
なお、連絡流路は、上述の図3や図25乃至図27のような形状に限らず、液体貯留室に全周から噴流液体が流れ込む形状の流路であれば、その形状は任意である。
Next, in the third modified example shown in FIG. 27, the cross sections of the distribution flow path 242 and the liquid storage chamber 244 of the laminar flow forming flow path 240 are each formed in a substantially rectangular shape. The communication flow path 246 of the laminar flow forming flow path 240 is connected to the axis G so that the inside of the distribution flow path 242 and the downstream side of the axis G communicate with the outside of the liquid storage chamber 244 and the upstream side of the axis G. It is formed along the direction. In the laminar flow forming flow path 240 having such a shape, the water flowing into the distribution flow path 242 hits the inner peripheral side wall surface 248 and spreads over the entire circumference of the distribution flow path 242 and changes its direction to the downstream side in the axis G direction. Then, it proceeds along the inner peripheral side wall surface 248 and flows into the communication channel 246. Water from the communication channel 246 flows along the outer peripheral side wall surface 250 of the liquid storage chamber 244. According to the laminar flow forming channel 240 having such a shape, the water moves along the inner wall surface 248 of the distribution channel 242 and the outer wall surface 250 of the liquid storage chamber 244, thereby suppressing water vortex on the wall surface. can do. This is particularly effective when the communication channel 246 cannot be formed long due to its structure.
The communication channel is not limited to the shape shown in FIG. 3 and FIGS. 25 to 27 described above, and any shape can be used as long as the jet liquid flows into the liquid storage chamber from the entire circumference. .

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、レーザー光Lとしてグリーンレーザーを採用しているがこれに限定されるものではなく、レーザー光Lが水に吸収され難いもっと波長の短いUVレーザーを採用することもできる。好ましくは、噴流液体を透過する際の吸収係数が0.01[cm-1]以下になるレーザー光を採用する。
また、本実施形態においては、噴流液体として水を使用したが、これに限定されるものではなく、レーザー光Lが吸収され難いシリコンオイル等を噴流液体として使用することもできる。そして、レーザー光LもグリーンレーザーやUVレーザーに限定されるものではなく、CO2レーザーやYAGレーザーを採用することもできるが、噴流液体として水を使用する場合には、レーザー光が水に吸収されにくいレーザーを採用することが好ましい。ここで、水に吸収されにくいレーザーとして、波長域200〜700nmのレーザーが挙げられる。なお、レーザー光が吸収され難い噴流液体を使用する場合には、CO2レーザーやYAGレーザーを用いてもレーザー光の良好な伝搬効率を得ることができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with appropriate modifications.
For example, in the present embodiment, a green laser is employed as the laser light L, but the present invention is not limited to this, and a UV laser having a shorter wavelength that is difficult for the laser light L to be absorbed by water can be employed. . Preferably, a laser beam having an absorption coefficient of 0.01 [cm −1 ] or less when passing through the jet liquid is employed.
In this embodiment, water is used as the jet liquid. However, the present invention is not limited to this, and silicon oil or the like that is difficult to absorb the laser light L can be used as the jet liquid. The laser beam L is not limited to the green laser or the UV laser, and a CO 2 laser or a YAG laser can be used. However, when water is used as the jet liquid, the laser beam is absorbed by the water. It is preferable to employ a laser that is difficult to be applied. Here, a laser having a wavelength range of 200 to 700 nm is an example of a laser that is not easily absorbed by water. In the case of using a jet liquid in which laser light is hardly absorbed, good propagation efficiency of laser light can be obtained even if a CO 2 laser or a YAG laser is used.

本発明の実施形態に係るレーザー加工装置の全体構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the whole structure of the laser processing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る光学装置の他の実施例を説明するための要部拡大図であり、レーザー光の導入窓を装着しない形態を示す。It is a principal part enlarged view for demonstrating the other Example of the optical apparatus which concerns on embodiment of this invention, and shows the form which does not mount | wear with the introduction window of a laser beam. 本発明の実施形態に係る層流形成流路の形状を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the shape of the laminar flow formation flow path which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るアシストガス供給装置におけるスパイラル状導入流路の構成を示す図1のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 1 which shows the structure of the spiral introduction flow path in the assist gas supply apparatus which concerns on embodiment of this invention. アシストガス供給装置における他の実施例に係るコーン状導入流路の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of the cone-shaped introduction flow path which concerns on the other Example in an assist gas supply apparatus. 本実施形態に係る層流形成流路の軸線方向に沿った断面図である。It is sectional drawing along the axial direction of the laminar flow formation flow path which concerns on this embodiment. ノズルの軸線G方向の奥行き(高さH、導入窓―ノズル間距離)とレーザー光の伝搬効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the depth (height H, introduction window-nozzle distance) of the axis line G direction of a nozzle, and the propagation efficiency of a laser beam. グリーンレーザーを水の液柱ビームに通過させた際の、液体貯留室の高さHに対するグリーンレーザーの伝搬効率を示す。The propagation efficiency of the green laser with respect to the height H of the liquid storage chamber when the green laser is passed through the liquid column beam of water is shown. 本発明の実施形態に係るノズル周辺における液体貯留室(液体供給路)の構造を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the liquid storage chamber (liquid supply path) in the nozzle periphery which concerns on embodiment of this invention. 本実施形態に係る液体貯留室内の流速分布を計算するために使用した液体貯留室のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the liquid storage chamber used in order to calculate the flow velocity distribution in the liquid storage chamber which concerns on this embodiment. 従来の構造の液体供給路内の流速分布を計算するために使用した液体供給路のモデルを示す図である。It is a figure which shows the model of the liquid supply path used in order to calculate the flow velocity distribution in the liquid supply path of the conventional structure. 液体貯留室内の各点における流速をベクトルで表した図である。It is the figure which represented the flow velocity in each point in a liquid storage chamber with the vector. 液体貯留室内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。It is the figure which divided and represented the space in a liquid storage chamber for every area | region of the substantially same flow velocity. 液体供給路内の各点ににおける流速をベクトルで表した図である。It is the figure which represented the flow velocity in each point in a liquid supply path with the vector. 液体供給路内の空間を、ほぼ同じ流速の領域ごとに区切って表した図である。It is the figure which divided and represented the space in a liquid supply path for every area | region of the substantially same flow velocity. 本実施形態に係る液体貯留室に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the simulation result of distribution of the turbulent energy of the model corresponding to the liquid storage chamber which concerns on this embodiment. 従来の構造の液体供給路に対応するモデルの乱流エネルギの分布のシミュレーション結果を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the simulation result of distribution of the turbulent energy of the model corresponding to the liquid supply path of the conventional structure. 本実施形態の液体貯留室の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the movement of the fluid in the model corresponding to the structure of the liquid storage chamber of this embodiment. 従来の液体供給路の構造に対応するモデルにおける流体の移動を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the movement of the fluid in the model corresponding to the structure of the conventional liquid supply path. ノズルの上方でレーザー光が照射される円錐領域を概略的に示す。3 schematically shows a conical region irradiated with laser light above a nozzle. 出力P=10(W)の場合の、点Aからの距離に対する、レーザー光の吸収による水の温度上昇を示した図である。It is the figure which showed the temperature rise of the water by absorption of a laser beam with respect to the distance from the point A in the case of output P = 10 (W). 点Aからの距離dを4mmに設定した場合の、IRレーザー及びグリーンレーザーの出力Pに対する円錐領域の水の温度上昇ΔTの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship of the temperature rise (DELTA) T of the water of a cone area with respect to the output P of IR laser and a green laser when the distance d from the point A is set to 4 mm. 本発明の第1実施例に係る加工ヘッドの構成を示す断面側面図である。1 is a cross-sectional side view illustrating a configuration of a machining head according to a first embodiment of the present invention. (a)は本発明の第2実施例に係る加工ヘッドにおけるノズル周りの構成を示す部分断面側面図であり、(b)は(a)において封止部材を装着する場合を示す。(a) is a fragmentary sectional side view which shows the structure around the nozzle in the processing head based on 2nd Example of this invention, (b) shows the case where a sealing member is mounted | worn in (a). 本発明に係る層流形成流路の第1変形例の形状を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the shape of the 1st modification of the laminar flow formation flow path which concerns on this invention. 本発明に係る層流形成流路の第2変形例の形状を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the shape of the 2nd modification of the laminar flow formation flow path which concerns on this invention. 本発明に係る層流形成流路の第3変形例の形状を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the shape of the 3rd modification of the laminar flow formation flow path which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザー加工装置
2 グリーンレーザー発振器
3 ノズル
4 加工ヘッド
5 光学装置
6 液体供給手段
8 層流形成流路
9 処理装置
11 アシストガス供給装置
11c スパイラル状導入流路
11eコーン状導入流路
11f 分配流路
31 入口開口部
32 噴射口
81 分配流路
82 連絡流路
83 液体貯留室
83a 外周縁部
91 水処理装置(処理装置)
92 高圧フィルタ(処理装置)
AS アシストガス
F 噴流液柱
L(L1,L2,L3) レーザー光
W ワーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser processing apparatus 2 Green laser oscillator 3 Nozzle 4 Processing head 5 Optical apparatus 6 Liquid supply means 8 Laminar flow formation flow path 9 Processing apparatus 11 Assist gas supply apparatus 11c Spiral introduction flow path 11e Conical introduction flow path 11f Distribution flow path 31 Inlet opening 32 Injecting port 81 Distribution channel 82 Communication channel 83 Liquid storage chamber 83a Outer peripheral edge 91 Water treatment device (treatment device)
92 High pressure filter (processing equipment)
AS assist gas F Jet liquid column L (L1, L2, L3) Laser light W Workpiece

Claims (9)

レーザー光を発生するレーザー発振器と、ワークに噴流液体を噴射するノズルと、このノズルに前記噴流液体を供給する液体供給手段と、を有し、前記ノズルから噴射された噴流液柱内に導かれたレーザー光によるレーザー加工装置であって、
前記噴流液体を層流状態で前記ノズルに供給する層流形成流路を有し、
前記層流形成流路は、前記液体供給手段から供給された噴流液体を前記ノズルの軸線周りに環状に分配する空洞が形成された分配流路と、
前記ノズルの軸線方向下流側において前記分配流路に連通して設けられ、前記分配流路よりも狭い流路で前記軸線周りに環状の空洞が形成された連絡流路と、
前記ノズルの軸線方向上流側に設けられ、前記噴流液体を貯留して前記ノズルに供給する液体貯留室と、を備え、
前記液体貯留室の前記ノズルの軸線方向の奥行きは、2〜40mmであり、
前記液体貯留室内の平均流速は、0.623m/s以下であり、
前記噴流液体は、水であり、且つ
前記レーザー光の波長域は、200〜700nmであり、
前記液体貯留室の外周縁部は、前記環形状の全周にわたって前記連絡流路と連通されていること、を特徴とするレーザー加工装置。
A laser oscillator for generating laser light; a nozzle for injecting a jet liquid to a workpiece; and a liquid supply means for supplying the jet liquid to the nozzle, and is guided into a jet liquid column ejected from the nozzle. A laser processing device using laser light,
A laminar flow forming channel for supplying the jet liquid to the nozzle in a laminar flow state;
The laminar flow forming channel is a distribution channel in which a cavity for annularly distributing the jet liquid supplied from the liquid supply means around the axis of the nozzle is formed,
A communication channel that is provided in communication with the distribution channel on the downstream side in the axial direction of the nozzle and in which an annular cavity is formed around the axis in a channel narrower than the distribution channel;
A liquid storage chamber provided on the upstream side in the axial direction of the nozzle, storing the jet liquid and supplying the liquid to the nozzle;
Axial depth of the nozzle of the liquid storage chamber, Ri 2~40mm der,
The average flow velocity in the liquid storage chamber is 0.623 m / s or less,
The jet liquid is water, and
The wavelength range of the laser light is 200 to 700 nm,
The laser processing apparatus, wherein an outer peripheral edge portion of the liquid storage chamber communicates with the communication channel over the entire circumference of the ring shape.
前記レーザー光は、グリーンレーザー、またはUVレーザーであり、前記噴流液体を透過する際の吸収係数が0.01[cm-1]以下であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー加工装置。 The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is a green laser or a UV laser, and has an absorption coefficient of 0.01 [cm -1 ] or less when passing through the jet liquid. . 前記液体供給手段は、前記レーザー光の伝搬媒体としての前記噴流液体の均質性を高めるための処理装置を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザー加工装置。   3. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the liquid supply unit includes a processing device for increasing the homogeneity of the jet liquid as the propagation medium of the laser light. 前記レーザー加工装置は、前記噴流液柱に沿って導入されるアシストガス供給装置を有し、
前記アシストガス供給装置は、前記ノズルの下流側に設けられ前記噴流液柱を収容するように形成されたガス供給室と、このガス供給室にアシストガスを導入する導入流路と、を備え、
前記導入流路は、前記噴流液柱の外周からスパイラル状に沿うように構成したスパイラル状導入流路、または、前記噴流液柱の軸線に漸近するように構成された円錐状導入流路であること、を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザー加工装置。
The laser processing device has an assist gas supply device introduced along the jet liquid column,
The assist gas supply device includes a gas supply chamber provided on the downstream side of the nozzle and formed to accommodate the jet liquid column, and an introduction flow path for introducing the assist gas into the gas supply chamber,
The introduction flow path is a spiral introduction flow path configured so as to follow a spiral shape from the outer periphery of the jet liquid column, or a conical introduction flow path configured so as to approach the axis of the jet liquid column. The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein:
前記液体貯留室は、前記連絡流路の空洞の体積よりも大きな体積を有すること、を特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のレーザー加工装置。   The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the liquid storage chamber has a volume larger than a volume of a cavity of the communication channel. 前記分配流路には、前記液体供給手段からの噴流液体が導入される導入管が接続され、前記連絡流路の前記分配流路との連通部は、前記導入管の軸線から外れた位置に配置されること、を特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載のレーザー加工装置。   An introduction pipe into which the jet liquid from the liquid supply means is introduced is connected to the distribution flow path, and a communication portion of the communication flow path with the distribution flow path is located at a position off the axis of the introduction pipe. It arrange | positions, The laser processing apparatus of any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned. 前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成すること、を特徴とする請求項1から請求項6の何れか1項に記載のレーザー加工装置。   The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein an outer peripheral surface of the communication channel and an outer peripheral surface of the liquid storage chamber form a continuous surface without a step. . 前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成し、前記分配流路の内周側壁面および前記連絡流路の内周面は、内側且つ軸線の下流側に向かって傾斜した傾斜面を形成しているとともに連続した同一平面である、ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーザー加工装置。   The outer peripheral surface of the communication channel and the outer peripheral surface of the liquid storage chamber form a continuous surface without a step, and the inner peripheral side wall surface of the distribution channel and the inner peripheral surface of the communication channel are the inner side and the axis line. 7. The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the laser processing apparatus forms an inclined surface inclined toward the downstream side, and is a continuous same plane. 前記連絡流路の外周面と、前記液体貯留室の外周面は、段差なく連続した面を形成し、前記連絡流路の外周面および前記液体貯留室の外周面は、内側に円弧状に湾曲している、ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のレーザー加工装置。   The outer peripheral surface of the communication channel and the outer peripheral surface of the liquid storage chamber form a continuous surface without a step, and the outer peripheral surface of the communication channel and the outer peripheral surface of the liquid storage chamber are curved in an arc shape inward. The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the laser processing apparatus is provided.
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