JP5407504B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工ヘッドに関するものである。

レーザ発振器から出射される高出力レーザ光を、レンズより集光して加工対象物に照射し、溶接、切断、及び部分蒸散などの加工を非接触で行う手立てとして、様々なレーザ加工ヘッドが提案されている。

図３〜図５は従来のレーザ加工ヘッドの一例を示すもので、断面円形状の内筒１の内部に、複数のレンズ２，３，４とミラー５とを内筒１基端側から先端側に向けて一列に配置し、光ファイバケーブル６を把持してその光出射端をレンズ２に正対させるコネクタ７を内筒１の基端部に取り付け、端板８によって内筒１の先端を封止し、底板９と一対の外殻１０，１１とにより内筒１を周方向に取り囲んでいる（特許文献１参照）。

ミラー５は、レンズ４と対峙する側に、レンズ２，３，４の光軸に対して４５°の角度（折返し角度）をなす反射面１２を有し、該反射面１２の背後側は、端板８に向けて先細状に形作られており、この先細状部分には放熱用の針状素子１３が多数取り付けられている。

底板９は、内筒１の外周面に対して内筒１軸線方向に直線的に接している。一方の外殻１０は、底板９の一側縁部、内筒１の外周面、並びに端板８に接して内筒１に並列に沿う空間１４を形成し、他方の外殻１１は、底板９の他側縁部、内筒１の外周面、並びに端板８に接して内筒１に並列に沿う空間１５を形成している。更に、一方の外殻１０の基端部にはガス供給管１６が接続され、他方に外殻１１の基端部にはガス供給管１７が接続されている。

一方の空間１４の内部にはガス導入管１８が配置されている。ガス導入管１８の上流端は、一方の外殻１０に接続したガス供給管１６に連通し、該ガス導入管１８の下流端は、内筒１の先端付近に穿設した開口１９を介して内筒１のミラー５が収納されている部分に連通している。

内筒１には、他方の空間１５からレンズ２，３間の空隙、並びにレンズ３，４間の空隙へと貫通する通気孔２０，２１と、レンズ２，３間の空隙、並びにレンズ３，４間の空隙から一方の空間１４へと貫通する通気孔２２，２３とが穿設されている。

内筒１及び底板９には、ミラー５の反射面１２により屈折したレーザ光Ｌを加工ヘッド外部へ導くための開口が穿設されている。底板９の開口には、反射面１２へのスパッタの付着を防止するための保護ガラス２４が配置され、該保護ガラス２４は、開口を周方向に取り囲むように底板９に取り付けた円形のシールドノズル２５により保持されている。

シールドノズル２５の底板９に相対する面には、周方向に延びる溝状のガス溜まり２６が形成されており、このガス溜まり２６は、底板９に穿設した通気孔２７を介して一方の空間１４に連通している。また、ガス溜まり２６の底部には、シールドノズル２５を部材厚さ方向に貫通する多数のガス噴出孔２８が穿設されている。更に、底板９及びシールドノズル２５には、内筒１の内部から保護ガラス２４の下方へ向けて不活性ガスＧを送出するための通気路２９が形成されている。

図３〜図５に示すレーザ加工ヘッドを用いて溶接対象物３０，３１を突き合わせ継手を溶接する際には、光ファイバケーブル６の光入射端をレーザ発振器（図示せず）に接続し、保護ガラス２４が溶接対象物３０，３１の突き合わせ継手に向き合うように、レーザ加工ヘッドを位置させる。

レーザ発振器を作動させると、レーザ光Ｌが光ファイバケーブル６を経てレンズ２に入射する。レーザ光Ｌは、レンズ２，３，４によりビーム形状が適正化され且つ集束しつつミラー５の反射面１２で屈折し、レンズ２，３，４の光軸に対して直行する方向へと進み、保護ガラス２４を透過し、溶接対象物３０，３１の突き合わせ継手に照射され、該突き合わせ部分の母材が温度上昇に伴って溶融する。更に、レーザ加工ヘッドの姿勢を変化させて、レーザ光Ｌの照射位置をずらすと温度低下に伴って母材溶融層が凝固し、レーザ光Ｌの照射位置の移動に追従して溶接層が逐次形作られる。溶接作業中は、ガス供給管１６，１７の双方に、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスＧを送り込む。

ガス供給管１６に送り込まれる不活性ガスＧは、一方の空間１４の内部のガス導入管１８から開口１９を経て内筒１のミラー５が収納されている部分に流入し、ミラー５の先細状部分や多数の針状素子１３から熱を奪取して、反射面１２へのレーザ光Ｌの入射に伴って発熱したミラー５を冷却する。ミラー５を冷却した不活性ガスＧは、通気路２９を経て保護ガラス２４の下方へ向けて送出され、作業中に溶接スパッタなどのような飛散物が保護ガラス２４に付着することを抑える。

ガス供給管１７に送り込まれる不活性ガスＧは、他方の空間１５、通気孔２０，２１、レンズ２，３間の空隙、並びにレンズ３，４間の空隙へ流入し、これらレンズ２，３，４から熱を奪取し、レーザ光の入射により発熱したレンズ２，３，４を冷却する。レンズ２，３，４を冷却した不活性ガスＧは、通気孔２２，２３、一方の空間１４、通気孔２７を経てシールドノズル２５のガス溜まり２６へ流入し、ガス噴出孔２８から溶接対象物３０，３１の突き合わせ部分の周囲へ向けて送出され、溶接部分付近を無酸素雰囲気に保つ。

図６、図７は従来のレーザ加工ヘッドの他の例を示すもので、上下に延びる筒状の第１のハウジング４１の内部に、複数のレンズ４２，４３，４４を第１のハウジング４１上端側から下端側に向けて一列に配置し、保護ガラス４５を第１のハウジング４１の下端に組み込み、上下に貫通する光孔４６を穿設した端板４７を第１のハウジング４１の上端に設けたうえ、光ファイバケーブル６を把持してその光出射端をレンズ４２に正対させるコネクタ４８を端板４７に取り付け、上端と下端とに開口を有する第２のハウジング４９の上端部分を第１のハウジング４１の下端部分に外嵌させ、上端と側部とに開口を有する第３のハウジング５０の上端部分を第２のハウジング４９の下端部分に接続し、この第３のハウジング５０の内部にミラー５１を組み込んでいる（特許文献２参照）。

第１のハウジング４１は、部材内に冷媒通路を有しており、冷媒通路へ冷却水Ｗを供給するための冷却水入口５２と冷媒通路から冷却水Ｗを排出させるための冷却水出口５３とが側面に設けられている。第２のハウジング４９は、部材外方から内方へと貫通するガス通路５４が穿設されており、該ガス通路５４に連通して第２のハウジング４９内へ不活性ガスＧを送り込むためのガス供給口５５が側面に設けられている。第３のハウジング５０は、部材内に冷媒通路を有しており、冷媒通路へ冷却水Ｗを供給するための冷却水入口５６と冷媒通路から冷却水Ｗを排出させるための冷却水出口５７とが側面に設けられている。

ミラー５１は、保護ガラス４５と対峙する側に、保護ガラス４５を透過してきたレーザ光Ｌを４５°を上回る折返し角度で出射する反射面５８を有している。このミラー５１の反射面５８背後部分は第３のハウジング５０の内側面に密着し、レンズ４２，４３，４４を経てミラー５１の反射面５８で屈折したレーザ光Ｌは、前記第３のハウジング５０側部の開口から加工ヘッド外部へ導かれる。

レーザ加工ヘッドは走行台車５９によって移動する。走行台車５９は、平らに配置した溶接対象物６０上を転動可能な複数の車輪６１と、前記溶接対象物６０上に立った姿勢で仮置きした溶接対象物６２の一側面を転動可能な複数のローラ６３とを有している。走行台車５９前端には、Ｘ・Ｙ位置調整機構６４を介してレーザ加工ヘッドの第２のハウジング４９が取り付けられている。このＸ・Ｙ位置調整機構６４は、加工ヘッド全体を走行台車５９の左右方向へ相対的に変位させる役割と、加工ヘッド全体を走行台車５９に対して上下へ変位させる役割を担う。

図６、図７に示すレーザ加工ヘッドを用いて溶接対象物６０，６２のＴ継手を溶接するときには、光ファイバケーブル６の光入射端をレーザ発振器６５に接続し、走行台車５９の車輪６１を溶接対象物６０上に載せるとともに、走行台車５９のローラ６３を溶接対象物６２の一側面に当接させて、第３のハウジング５０側部の開口が溶接対象物６２の一側面を向くようにする。

レーザ発振器６５を作動させると、光ファイバケーブル６を経てレンズ４２にレーザ光Ｌが入射する。レーザ光Ｌは、レンズ４２，４３，４４によってビーム形状が適正化され且つ集束しつつ保護ガラス４５を透過し、ミラー５１の反射面５８で屈折して水平よりも下向きに進み、第３のハウジング５０側部の開口を経て溶接対象物６０，６２のＴ継手に照射され、該Ｔ継手部分の母材が温度上昇に伴って溶融する。走行台車５９によりレーザ加工ヘッドをＴ継手の延長方向へ移動させ、レーザ光Ｌの照射位置をずらすと温度低下に伴って母材溶融層が凝固し、レーザ光Ｌの照射位置の移動に追従して溶接層が逐次形作られる。溶接作業中は、冷却水入口５２，５６の双方に冷却水Ｗを送り込むとともに、ガス供給口５５にアルゴンやヘリウムなどの不活性ガスＧを送り込む。

一方の冷却水入口５２に送り込まれる冷却水Ｗは、第１のハウジング４１部材内の冷媒通路を通過して第１のハウジング４１を冷却し、レーザ光Ｌの入射により発熱したレンズ２，３，４から熱を奪取し、冷却水出口５３から外部へ排出される。また、他方の冷却水入口５６に送り込まれる冷却水Ｗは、第３のハウジング５０部材内の冷媒通路を通過して第３のハウジング５０を冷却し、レーザ光Ｌの入射に伴って発熱したミラー５１から熱を奪取し、冷却水出口５７から外部へ排出される。

ガス供給口５５に送り込まれる不活性ガスＧは、ガス通路５４、第２のハウジング４９を経て第３のハウジング５０内に流入する。そして、第３のハウジング５０側部の開口から溶接対象物６０，６２のＴ継手へ向けて送出され、溶接施工部付近を無酸素雰囲気に保つ。

特開平１０−３１４９７５号公報 特開平８−１８７５８７号公報

ところが、図３〜図５に示すレーザ加工ヘッドでは、ミラー５の反射面１２の背後側に放熱用の針状素子１３が多数取り付けられた先細状部分が存在しているため、内筒１及び外殻１０，１１の寸法が長くなってしまい、隅肉溶接を行うときに、レーザ加工ヘッドの先端部が溶接対象物に干渉して作業の妨げになる。

更に、ミラー５を冷却した不活性ガスＧを保護ガラス２４の下方へ向けて送出させているとはいえ、作業が１０〜２０分程度続く場合には、溶接スパッタなどのような多様な飛散物が保護ガラス２４に付着してしまうことが想定される。飛散物が保護ガラス２４に付着した状態で、溶接対象物３０，３１に向けてレーザ光Ｌを照射し続けると、飛散物が発熱源となって保護ガラス２４に熱レンズ効果が発現し、レンズ２，３，４の本来の焦点距離や、溶接対象物３０，３１に対するレーザ光Ｌの集光位置に影響を及ぼし、非接触加工の妨げとなる。

また、図６、図７に示すレーザ加工ヘッドでは、ガス供給口５５、ガス通路５４、第２のハウジング４９を経て第３のハウジング５０内に流入した不活性ガスＧを、第３のハウジング５０側部の開口から溶接対象物６０，６２のＴ継手へ向けて送出しているが、レンズ４２，４３，４４の長焦点化を図った場合には、溶接対象物６０，６２とレーザ加工ヘッドとの間隔が拡がって、溶接部に不活性ガスＧが届きにくくなり、溶接部付近を無酸素雰囲気に保つことが困難になってしまう。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、保護ガラスに熱レンズ効果が発現せず、レンズを長焦点化しても溶接部付近を無酸素雰囲気に保てるレーザ加工ヘッドを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、レーザ光を集束させるレンズと、該レンズのレーザ光出射方向下流側に配置した保護ガラスとを備え、レーザ光を加工対象物に照射するためのレーザ加工ヘッドであって、保護ガラスのレーザ光出射方向下流側に、レーザ光を加工対象物に向けて屈折させるミラーを設け、該ミラーのレーザ光出射方向下流側至近に、レーザ光の光路を横切るエアカーテン流を形成し得る後段エアナイフノズルを設け、該後段エアナイフノズルのレーザ光出射方向下流側に、レーザ光の光路を横切るエアカーテン流を形成し得る前段エアナイフノズルを設け、該前段エアナイフノズルのレーザ光出射方向下流側に、加工対象物に向けて不活性ガスを噴出し得るトレーラを設け、
前記ミラーにより屈折後のレーザ光の上流側から下流側を視ると、前記後段エアナイフノズルのエア噴射方向と前記前段エアナイフノズルのエア噴射方向とが交差することを特徴としている。

（１）請求項１に記載の発明では、保護ガラスを透過したレーザ光を加工対象物に向けて屈折させるミラーのレーザ光出射方向下流側に、レーザ光の光路を横切るエアカーテン流を形成させる後段エアナイフノズルと前段エアナイフノズルを設けたので、溶接スパッタなどの飛散物がミラー及び保護ガラスへ付着することが抑えられ、保護ガラスに熱レンズ効果が発現しない。よって、レンズの本来の焦点距離や加工対象物に対するレーザ光の集光位置が変化せず、溶接、切断、及び部分蒸散などの非接触加工を正確に行える。

（２）また、請求項１に記載の発明は、エアナイフノズルのレーザ光出射方向下流側に設けたトレーラから、不活性ガスを加工対象物に向けて噴出させるので、レンズの長焦点化を図っても、溶接部付近を確実に無酸素雰囲気にすることができる。

本発明のレーザ加工ヘッドの実施例を示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。 従来のレーザ加工ヘッドの一例を示す水平断面図である。 図３に示すレーザ加工ヘッドの縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ矢視図である。 従来のレーザ加工ヘッドの他の例を示す縦断面図である。 図６に示すレーザ加工ヘッドを用いた隅肉溶接装置の全体図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１、図２は本発明のレーザ加工ヘッドの実施例を示すもので、上下に延びる筒状のレンズホルダ６６の内部に、複数のレンズ６７，６８，６９をレンズホルダ６６上端側から下端側に向けて一列に配置し、上下に延びる筒状の保護ガラスホルダ７０に前記レンズホルダ６６を挿入し、保護ガラス７１を保護ガラスホルダ７０の下端に組み込み、該保護ガラスホルダ７０に上下に延びる筒状のハウジング７２を外嵌させ、中空構造のアダプタ７３をハウジング７２の上端に取り付け、中空構造のミラーホルダ７４をハウジング７２の下端に取り付けている。

アダプタ７３には、光ファイバケーブル６の端部に設けたコネクタ７５が接続される。このアダプタ７３は、コネクタ７５を接続したときに、光ファイバケーブルの光出射端がレンズホルダ６６の内部のレンズ６７に正対するように構成されている。

ミラーホルダ７４は、保護ガラス７１を下方から支え且つミラー７６を内装する役割を担い、保護ガラス７１に正対する開口７７と、保護ガラス７１を透過してきたレーザ光Ｌを４５°を上回る折返し角度で出射するようにミラー７６を嵌め込むための開口７８と、ミラー７６で反射したレーザ光Ｌを側方へ向けて出射するための開口７９とを有している。図１に示すミラー７６では、レーザ光Ｌの折返し角度を約５０°としている。

ミラー７６は、銅の基板の反射面８０となるべき部位に金コーティングを施したものであり、反射面８０背後部分には、レーザ光Ｌの入射に伴って発熱したミラー７６から熱を奪取する冷却板８１が取り付けられている。冷却板８１は部材内に冷却水が流通する冷媒通路８２を有し、冷媒通路８２の一端には、冷却板８１の外部から冷却水を供給するためのホース（図示せず）が連通し、冷媒通路８２の他端には、冷却水を冷却板８１の外部へ送出するための別のホース（図示せず）が連通している。

ミラーホルダ７４の外部には、圧縮空気源（図示せず）より供給される圧縮空気を噴射してエアカーテン流Ａ１を形成する後段エアナイフノズル８３と、圧縮空気源（図示せず）より供給される圧縮空気を噴射してエアカーテン流Ａ２を形成する前段エアナイフノズル８４と、不活性ガス源（図示せず）より供給される不活性ガスＧを噴出して溶接施工部付近を無酸素雰囲気に保つトレーラ８５とが、ミラーホルダ７４の開口７９を通過してきたレーザ光Ｌの進行方向に並んで配置されている。ここで溶接施工部とは、平らに配置した溶接対象物８６と該溶接対象物８６上に立った姿勢で仮置きした溶接対象物８７とのＴ継手を指している。また、前記ハウジング７２には、開口７９を通過してきたレーザ光Ｌの光路に沿って横向きに延びるアーム８８が設けてある。

後段エアナイフノズル８３はミラーホルダ７４側部に取り付けられており、ミラー７６に近い個所でレーザ光Ｌの光路を横切るエアカーテン流Ａ１を形成する。前段エアナイフノズル８４はアーム８８の長手方向中間部に取り付けられており、溶接対象物８６，８７に対するレーザ光Ｌの集光位置と後段エアナイフノズル８３との間でレーザ光Ｌの光路を横切るエアカーテン流Ａ２を形成する。

トレーラ８５はアーム８８の長手方向先端部に取り付けられている。このトレーラ８５の底面には多数の孔８９が穿設してあり、溶接施工部付近で不活性ガスＧを下向きに噴出する。

図１、図２に示すレーザ加工ヘッドを用いて溶接対象物８６，８７のＴ継手を溶接するときには、レーザ光Ｌが溶接施工部に照射されるようにレーザ加工ヘッドをロボットなどの移動手段に装着し、光ファイバケーブル６の光入射端をレーザ発振器（図示せず）に接続する。

次いで、冷却板８１の冷媒通路８２に冷却水を流通させ、後段エアナイフノズル８３と前段エアナイフノズル８４に圧縮空気を供給してエアカーテン流Ａ１，Ａ２を形成させるとともに、トレーラ８５に不活性ガスＧを供給して溶接施工部付近を無酸素雰囲気に保つ。

レーザ発振器を作動させると、光ファイバケーブル６を経てレンズ６７にレーザ光Ｌが入射する。レーザ光Ｌは、レンズ６７，６８，６９によってビーム形状が適正化され且つ集束しつつ保護ガラス７１を透過し、ミラー７６の反射面８０に入射する。冷媒通路８２を流通する冷却水は、レーザ光Ｌの入射により発熱したミラー７６から熱を奪取する。

ミラー７６の反射面８０で屈折したレーザ光Ｌは、水平よりも下向きに進み、エアカーテン流Ａ１，Ａ２を通り抜け、不活性ガスＧの無酸素雰囲気に保たれた溶接対象物８６，８７のＴ継手に照射され、該Ｔ継手部分の母材が温度上昇に伴って溶融する。ロボットによりレーザ加工ヘッドをＴ継手の延長方向Ｙへと移動させ、レーザ光Ｌの照射位置をずらすと温度低下に伴って母材溶融層が凝固し、レーザ光Ｌの照射位置の移動に追従して溶接層が逐次形作られる。

図１、図２に示すレーザ加工ヘッドでは、保護ガラス７１を透過したレーザ光Ｌを加工対象物８６，８７に向けて屈折させるミラー７６のレーザ光Ｌ出射方向下流側に、レーザ光Ｌの光路を横切るエアカーテン流Ａ１，Ａ２を形成させる後段エアナイフノズル８３と前段エアナイフノズル８４を設けたので、溶接スパッタなどの飛散物がミラー７６及び保護ガラス７１へ付着することが抑えられ、保護ガラス７１に熱レンズ効果が発現しない。よって、レンズ６７，６８，６９の本来の焦点距離や溶接対象物８６，８７に対するレーザ光Ｌの集光位置が変化せず、溶接、切断、及び部分蒸散などの非接触加工を正確に行える。

更に、前段エアナイフノズル８４のレーザ光Ｌ出射方向下流側に設けたトレーラ８５から、不活性ガスＧを溶接対象物８６，８７に向けて噴出させるので、レンズ６７，６８，６９の長焦点化を図っても、溶接部付近を確実に無酸素雰囲気にすることができる。

なお、本発明のレーザ加工ヘッドは、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明のレーザ加工ヘッドは、各種材料の溶接、切断、及び部分蒸散などの加工に適用することができる。

６７ レンズ
６８ レンズ
６９ レンズ
７１ 保護ガラス
８３ 後段エアナイフノズル
８４ 前段エアナイフノズル
８５ トレーラ
８６ 溶接対象物（加工対象物）
８７ 溶接対象物（加工対象物）
Ａ１ エアカーテン流
Ａ２ エアカーテン流
Ｇ 不活性ガス
Ｌ レーザ光

Claims (1)

1. レーザ光を集束させるレンズと、該レンズのレーザ光出射方向下流側に配置した保護ガラスとを備え、レーザ光を加工対象物に照射するためのレーザ加工ヘッドであって、保護ガラスのレーザ光出射方向下流側に、レーザ光を加工対象物に向けて屈折させるミラーを設け、該ミラーのレーザ光出射方向下流側至近に、レーザ光の光路を横切るエアカーテン流を形成し得る後段エアナイフノズルを設け、該後段エアナイフノズルのレーザ光出射方向下流側に、レーザ光の光路を横切るエアカーテン流を形成し得る前段エアナイフノズルを設け、該前段エアナイフノズルのレーザ光出射方向下流側に、加工対象物に向けて不活性ガスを噴出し得るトレーラを設け、
   前記ミラーにより屈折後のレーザ光の上流側から下流側を視ると、前記後段エアナイフノズルのエア噴射方向と前記前段エアナイフノズルのエア噴射方向とが交差することを特徴とするレーザ加工ヘッド。

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