JP5418588B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザ光をワークに照射し、ワークに切断、溶接等のレーザ加工を施すレーザ加工装置が広く用いられている。
例えば、従来のレーザ加工装置は、レーザ発振器、伝送経路、加工ヘッド等を含み、レーザ発振器により生成されたレーザ光を、伝送経路を介して加工ヘッドに伝送し、加工ヘッドからワークに向けてレーザ光を照射することによりワーク表面を溶融し、レーザ加工を施す装置として構成されている。

より具体的には、図１８に示すように、従来の加工ヘッド１００は、集光レンズ１１０、保護ガラス１２０、レンズハウジング１３０、トーチ１４０等を含む。
集光レンズ１１０は、レーザ発振器により生成されるレーザ光を集光し、そのエネルギーを集約するためのレンズであり、保護ガラス１２０は、レーザ加工時に発生するスパッタ、ヒューム等の高温の金属異物１５０が集光レンズ１１０へ付着することを防止するためのガラスである。
レンズハウジング１３０は、集光レンズ１１０及び保護ガラス１２０を内部に収容するハウジングであり、これら光学系を保護するものである。トーチ１４０は、加工ヘッド１００の先端に配置され、集光レンズ１１０によって集光されるレーザ光の拡散、及びレーザ光への外部からの影響を防止するためのハウジングである。

以上のように、加工ヘッド１００では、レンズハウジング１３０内にて集光レンズ１１０によって集光されたレーザ光が、保護ガラス１２０を介してトーチ１４０からワークに向けて照射される。
また、レーザ加工時、特に溶接時のワーク表面の酸化、不純物の溶け込み等を防止し、溶接品質を安定化させるために、窒素、アルゴン等のアシストガスをワーク表面に噴き付けて溶接部分の雰囲気を不活性化させる手法が一般的に用いられている。

従来の加工ヘッド１００では、図１８に示すように、トーチ１４０の開口部から高温異物１５０がトーチ１４０内に進入した場合、保護ガラス１２０に直接到達し、若しくは平面として形成されているトーチ１４０の内壁を反射して保護ガラス１２０に到達し、保護ガラス１２０に付着して、さらにガラス溶融温度より高い状態で付着した場合はガラス内に溶け込むことによって、保護ガラス１２０の表面に強固に固着することがあり、保護ガラス１２０の表面が劣化し、保護ガラス１２０の消耗が進行する不具合が生じ得る。
その結果、保護ガラス１２０におけるレーザ光の透過率が低下し、レーザ出力の低下に繋がり、加工品質に影響を及ぼす。また、レーザ出力を一定に保つために頻繁に保護ガラス１２０を交換する必要が生じ、コスト面でも好ましくない。

特許文献１に開示される加工ヘッドは、上記問題を解決する一つの手段であり、トーチの内壁にスパイラル状のアシストガス流路を設ける技術である。これによれば、ワークの加工点に向けてスパイラル状のアシストガスの流れを形成し、スパッタ等の高温異物が加工ヘッド内に進入することを抑制できる。
しかしながら、特許文献１に開示される加工ヘッドでは、アシストガスの流れよりも高速で飛散するスパッタの加工ヘッド内への進入を完全に防止することはできない。このため、保護ガラスの融点よりも高温の金属異物（例えば、ワークの融点以上に高温状態のスパッタ）が保護ガラスに付着し、保護ガラスに溶け込んで（溶着して）しまう不具合が発生し得る。特に、トーチとワークとの距離が近い場合は、スパッタの進入経路に対するトーチの開口面積が相対的に大きくなるため、スパッタの進入を防止することは困難であった。

また、レーザ加工装置を用いてワークに溶接を施す場合、アシストガスの流れを緩やかにしつつ、加工点における不活性雰囲気を発生させる技術が一般的に用いられている。
このため、特許文献１に記載の加工ヘッドをレーザ溶接に適用する場合、高温異物のトーチ内への進入を防止するためにアシストガスの流速を増加させることは不適切であり、溶接品質を低下させることに繋がってしまう。
特開平１１−２４５０７７号公報

本発明は、レーザ加工時に発生するスパッタ、ヒューム等の高温異物が保護ガラスへ付着することに起因する保護ガラスの透過率の低下を防止し、保護ガラスの使用寿命を向上することが可能なレーザ加工装置を提供することを課題とする。

本発明のレーザ加工装置は、ワークの表面にレーザ光を照射することにより、前記ワーク表面を溶融させて加工を施すものであり、前記レーザ光を前記ワーク表面に向けて集光する集光レンズと、前記集光レンズのワーク側に配置され、前記集光レンズを保護する保護ガラスと、前記ワークに臨んで配置され、前記レーザ光を出射するトーチと、前記保護ガラスを冷却する冷却手段と、を具備する。
前記冷却手段は、前記保護ガラスに冷却ガスを噴射することにより、前記保護ガラスと、前記トーチ内の保護ガラス周囲の雰囲気とを冷却することが好ましい。
前記冷却ガスは、前記ワークの加工時にワーク表面に噴射されることにより、当該ワーク表面に不活性雰囲気を形成するアシストガスであることが好ましい。
前記冷却手段は、前記アシストガスを噴射する噴射口を複数有し、前記アシストガスは、前記複数の噴射口から前記保護ガラスの表面に向けて噴射されることが好ましい。
前記冷却手段の複数の噴射口は、前記トーチの内部に臨むように配置され、かつ、それぞれ前記トーチの周方向に間隔を空けて配置されることが好ましい。

また、本発明のレーザ加工装置では、前記トーチ内の雰囲気をトーチ外部へ排出する排出手段をさらに具備することが好ましい。
前記排出手段は、前記トーチ内の雰囲気をトーチ外部へ排出する排出口と、前記トーチ外へ排出されるトーチ内雰囲気の流量を調整する手段とを有することが好ましい。

また、本発明のレーザ加工装置の別実施形態では、前記トーチの内壁は、凹凸面として形成される。
前記トーチの内壁に形成される凹凸面は、前記ワーク表面と対向する面を有しており、前記ワーク表面と対向する面は、前記ワーク表面から放射線状に広がる直線の当該ワーク表面と対向する面での反射線が前記保護ガラスとは異なる方向に進むように形成されることが好ましい。
前記トーチの内壁に形成される凹凸面は、前記トーチの内壁から外壁側に向けて陥没する凹形状として形成され、かつ、前記トーチの先端部から基端部に設けられる複数の溝により構成されていることが好ましい。

また、本発明のレーザ加工装置の別実施形態では、前記トーチの先端には、前記ワーク表面に向けて延出されるチップが設けられ、前記チップの開口面積は、前記トーチの開口面積より小さく設定される。
前記チップの内周面は、前記トーチの内壁と連続することが好ましい。
前記チップは、前記トーチと別体として設けられることが好ましい。
前記チップの内周面は、前記トーチの内壁と連続するとともに、前記チップの基端から先端にかけて、開口部の周縁部から放射状かつ均等に開口するスリット状のアシストガス通路が形成されることが好ましい。

本発明によれば、レーザ加工時に発生するスパッタ、ヒューム等の高温異物が保護ガラスへ付着することに起因する保護ガラスの透過率の低下を防止し、保護ガラスの使用寿命を向上できる。

レーザ加工装置を示す概略図である。 レーザ加工装置の加工ヘッドを示す概略断面図である。 レーザ加工装置の冷却手段を示す図である。 トーチ内でのアシストガスの流れを示す図である。 冷却手段の配置構成を示す図であり、図４のＡ−Ａ線断面図である。 アシストガスの供給構成を示す図である。 レーザ加工装置の排出手段を示す図である。 レーザ加工装置の排出手段の別実施形態図である。 トーチの内壁に設けられる凹凸面を示す図である。 凹凸面を示す拡大図である。 凹凸面の別実施形態を示す図である。 凹凸面の別実施形態を示す図である。 レーザ加工装置のチップを示す図であり、図１４のＢ−Ｂ線断面図である。 チップの先端を示す図である。 チップの開口部を示す図であり、図１４のＣ−Ｃ線断面図である。 チップ及びトーチの開口面積の比較を示す図であり、（ａ）はチップの先端を示し（ｂ）は図１６のＥ−Ｅ線断面図であり、トーチの先端を示す。 加工ヘッドの先端でのアシストガスの流れを示す図である。 従来のレーザ加工装置の加工ヘッドを示す概略図である。

以下に、図面を参照して、本発明に係るレーザ加工装置の実施の一形態であるレーザ加工装置１について説明する。レーザ加工装置１は、ワーク２の表面に対してレーザ光を照射することにより、ワーク２の表面を溶融させ、切断、溶接等のレーザ加工を施す。ワーク２は、アルミニウム、鉄等の金属製部材であり、レーザ加工装置１に対して相対的に移動可能に配置されている。

図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０、光ファイバ２０、加工ヘッド３０等を具備する。
レーザ発振器１０は、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光（以下、単に「レーザ光」と記す）を発生させ、出力する装置である。レーザ発振器１０は、所定出力のレーザ光を生成する。
光ファイバ２０は、レーザ発振器１０にて発生するレーザ光の伝送経路であり、レーザ発振器１０の出力側と接続されるとともに、加工ヘッド３０の基端側と接続される。レーザ光は、光ファイバ２０を介してレーザ発振器１０から加工ヘッド３０に伝送される。
加工ヘッド３０は、レーザ加工装置１におけるレーザ光の出射部であり、ワーク２に臨んで配置されている。レーザ光は、加工ヘッド３０の先端からワーク２の表面に向けて照射される。

以上のように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器１０により発生するレーザ光を、光ファイバ２０を介して加工ヘッド３０に伝送し、加工ヘッド３０の先端からワーク２に向けてレーザ光を照射することによってワーク２の表面を溶融させて加工する。

以下に、図２を参照して、加工ヘッド３０の各部位について概略説明する。
図２に示すように、加工ヘッド３０は、集光レンズ３１、保護ガラス３２、レンズハウジング３３、トーチ３４を具備する。

集光レンズ３１は、レーザ光を集光してエネルギーを集約する凸レンズであり、ワーク２の表面（加工点）に焦点を結ぶように設定されている。集光レンズ３１を透過したレーザ光は、ワーク２の加工点に向けて集光される。

保護ガラス３２は、加工時にワーク２の表面から発生するスパッタ、ヒューム等の高温異物、トーチ３４内に発生する塵挨等から集光レンズ３１を保護する平板状のガラスである。保護ガラス３２は、集光レンズ３１とワーク２との間に配置される。つまり、加工ヘッド３０内において、集光レンズ３１のワーク２側に保護ガラス３２が配置されており、保護ガラス３２を境界として、集光レンズ３１側とその反対側（トーチ３４側）とが隔離されている。
また、集光レンズ３１を透過したレーザ光は、さらに保護ガラス３２を透過してワーク２に照射される。

レンズハウジング３３は、集光レンズ３１、保護ガラス３２等の光学系を収容するハウジングであり、先端側の一面に開口部３３ａを有する。レンズハウジング３３の基端側には光ファイバ２０が接続され、レンズハウジング３３内でレーザ光が照射される。レンズハウジング３３内で照射されたレーザ光は、集光レンズ３１によってワーク２の加工点に焦点を結ぶように集光された後、保護ガラス３２、開口部３３ａを介してトーチ３４に導光される。

トーチ３４は、レンズハウジング３３と連続して設けられる中空の略円錐状の部材であり、基端から先端に向けて縮径する先細り形状を有する。トーチ３４は、基端にレンズハウジング３３の開口部３３ａの形状に応じた開口部３４ａを有するとともに、先端に出射口３４ｂを有する。トーチ３４の開口部３４ａは、レンズハウジング３３の開口部３３ａに接続されており、トーチ３４の内部空間は、レンズハウジング３３の内部空間に連通している。レンズハウジング３３からトーチ３４内に導光されたレーザ光は、出射口３４ｂから出射される。
また、トーチ３４は、レーザ光の拡散、及びレーザ光への外部からの影響を防止するためのハウジングとしても機能する。

以上のように、加工ヘッド３０では、集光レンズ３１とトーチ３４との間に保護ガラス３２が介設されており、保護ガラス３２によってレーザ加工時にトーチ３４内に進入するスパッタ、ヒューム等の高温異物が集光レンズ３１に到達しないように保護している。

図３〜図６に示すように、加工ヘッド３０は、さらにアシストガス供給ユニット４０を具備する。
アシストガス供給ユニット４０は、レーザ加工時に、保護ガラス３２に向けてアシストガス４５を供給する冷却手段であり、トーチ３４の基端に配置されている。つまり、アシストガス供給ユニット４０は、加工ヘッド３０の保護ガラス３２より先端側（特に、保護ガラス３２とトーチ３４の内部空間）にアシストガス４５を供給するものである。

アシストガス４５は、レーザ加工装置１によるレーザ加工時のワーク２表面の酸化、ワーク２の加工点への不純物の溶け込み等を防止するための不活性ガスであり、例えば窒素ガス、アルゴンガス等がアシストガス４５として適用可能である。
アシストガス４５がワーク２の加工点に向けて噴射されることにより、ワーク２の表面に不活性雰囲気が形成される。
また、本実施形態では、アシストガス４５は常温（２５℃程度）で供給され、トーチ３４内を冷却するための冷却ガスとしても利用される。

図３〜図６に示すように、アシストガス供給ユニット４０は、一つ又は複数（本実施形態では四つ）の供給パイプ４１、アシストガス供給源４２等を含む。
各供給パイプ４１は、一側がトーチ３４の外周部から噴射口４１ａを介して内部空間に臨むように設けられており、その反対側がアシストガス供給源４２に接続されている。
アシストガス供給源４２は、アシストガス４５を貯溜し、かつ、アシストガス４５を各供給パイプ４１に送給する。

図３に示すように、各供給パイプ４１の噴射口４１ａは、トーチ３４の内周部から保護ガラス３２側に向けて突出するように配置されている。また、各噴射口４１ａは、レーザ光の集光範囲外に位置するように配置されている。
より具体的には、各供給パイプ４１は、保護ガラス３２の表面全域に対してアシストガス４５が略均一に行き渡るように配置されており、保護ガラス３２の中心部に向かってアシストガス４５を噴射するように配置されている。
つまり、複数の供給パイプ４１によって、それぞれ保護ガラス３２に向かって噴射されるアシストガス４５は、保護ガラス３２の表面上で周縁部から中央部に向かって流れる。これにより、保護ガラス３２の表面略全域がアシストガス４５の強制対流熱伝達により冷却される。さらに、保護ガラス３２に向けてアシストガス４５を連続的に供給することにより保護ガラス３２の周囲の雰囲気温度を低い温度に維持できる。

以上のように、レーザ加工装置１を用いたワーク２の加工の際、アシストガス供給ユニット４０では、各供給パイプ４１から保護ガラス３２に向けて常温のアシストガス４５を冷却ガスとして噴射することによって、保護ガラス３２の表面を強制的に冷却するとともに、保護ガラス３２の周囲の雰囲気温度を冷却している。また、トーチ３４内にスパッタ、ヒューム等のレーザ加工時に発生する高温の金属異物（以下、単に「高温異物」と記す）が進入した場合にも、高温異物がアシストガス４５に接触することにより、高温異物が直接的に冷却されている。
これにより、高温異物が保護ガラス３２に到達するまでの間に温度を下げて、当該高温異物の温度を、高温異物を形成する金属の融点（例えば６００℃程度）、又は保護ガラス３２の溶融温度（例えば４００℃程度）より低くすることができる。特に、高温異物が十分に冷却され、保護ガラス３２に到達するまでに完全に固化する場合は、保護ガラス３２に付着することがない。
従って、保護ガラス３２への高温状態の異物の付着を抑制でき、保護ガラス３２への金属異物の溶け込み（溶着）を抑制できるため、その使用寿命を向上できるとともに、保護ガラス３２の透過率を維持し、レーザ出力を維持できる。
また、レーザ加工時に高温となりやすい保護ガラス３２を直接冷却しているため、保護ガラス３２の熱膨張を抑制できる。さらに、集光レンズ３１及びトーチ３４に近い位置に配置される保護レンズ３２を冷却しているため、加工ヘッド３０における各部位の冷却を促進できる。これにより、集光レンズ３１の熱膨張による焦点位置の変化、トーチ３４内でのレーザ光の屈折率の変化等、レーザ加工時に発生し得る熱影響を低減できる。
また、レーザ加工装置１によるレーザ加工の際に、加工品質の確保を目的として用いているアシストガス４５を、保護ガラス３２を冷却する冷却ガスとして使用することにより、新たに冷却手段を導入する必要がなく、既存の設備を効率良く利用できる。

図４に示すように、アシストガス４５は、各供給パイプ４１から保護ガラス３２に向けて噴射された後、保護ガラス３２の中央部において互いに衝突し、保護ガラス３２からトーチ３４の出射口３４ｂに向かう流れに変更される。このようにして、各供給パイプ４１から保護ガラス３２に向けて噴射されるアシストガス４５を良好にワーク２側へと案内し、ワーク２の加工点に十分な不活性雰囲気を発生させている。

図５に示すように、供給パイプ４１は、その配置個数を四つとし、各供給パイプ４１をトーチ３４の周方向に向けて９０°づつ位相をずらした状態で配置している。つまり、各供給パイプ４１の噴射口４１ａは、トーチ３４の内周面の周方向に等間隔を空けて配置されている。
これにより、保護ガラス３２の表面上でのアシストガス４５の均一な衝突を実現し、保護ガラス３２からトーチ３４の出射口３４ｂに向けた安定した流れを形成している。従って、保護ガラス３２の冷却に対してアシストガス４５を用いることによっても、アシストガス４５本来の機能を損なうことがないため、レーザ加工装置１によるレーザ加工の品質を確保できる。
また、複数の供給パイプ４１からアシストガス４５を噴射することにより、保護ガラス３２の表面上での冷却範囲を広くすることができ、保護ガラス３２及びその周囲の雰囲気を効率的に冷却できる。

なお、本実施形態では、供給パイプ４１の配置個数を四つとし、各供給パイプ４１をトーチ３４の周方向に向けて９０°づつ位相をずらした状態で配置しているが、これに限定されず、保護ガラス３２の表面で均一な衝突を実現し、かつ、保護ガラス３２からトーチ３４の出射口３４ｂに向けた一定の流れを形成するものであれば良い。
また、供給パイプ４１の配置個数が多すぎる場合、各供給パイプ４１からの流量が低下するが、本発明の本質的な部分であるトーチ３４内を冷却するという観点から、保護ガラス３２に対してアシストガス４５を所定の流速以上で噴射する必要がある。供給パイプ４１の噴射口４１ａの径を小さくすることによってアシストガス４５の流速を増加させることができるが、アシストガス４５が本来の目的を達成するために、トーチ３４内の噴射口４１ａの周囲に存在する酸素をアシストガス４５中に取り込まない程度の流速に設定する必要がある。つまり、供給パイプ４１の配置個数は、これらの流速条件を満足するように設定することが好ましい。

図６に示すように、アシストガス供給源４２は、アシストガス４５を貯溜するガスタンク４２ａ、ガスタンクからの送給経路となる送給パイプ４２ｂ・４２ｂ・・・、各送給パイプ４２ｂに送給する流量を調整するバルブ４２ｃ等により構成されている。
アシストガス供給源４２では、アシストガス４５が一つのガスタンク４２ａから、バルブ４２ｃを介して複数の送給パイプ４２ｂに等分割されて各供給パイプ４１に送給される。さらに、アシストガス４５は、各供給パイプ４１の噴射口４１ａを通じてトーチ３４内に導入され、トーチ３４の出射口３４ｂからワーク２の加工点に対して供給される。
バルブ４２ｃでは、各送給パイプ４２ｂに送給されるアシストガス４５の流量が適宜のセンサによって常時測定されており、各送給パイプ４２ｂを通過するアシストガス４５の流量が一定となるように調整されている。つまり、各供給パイプ４１から噴射されるアシストガス４５の流量は所定の流量に保持されている。
なお、上述のアシストガス供給源４２から供給されるアシストガス４５の流量は、ワーク２に対する加工形態（レーザ溶接、レーザ切断等）に応じて適宜調整される。

本実施形態では、設備の長大化・複雑化を防止する観点、既存設備を最大限利用する観点等から一つのガスタンク４２ａからバルブ４２ｃ、送給パイプ４２ｂ・４２ｂ・・・を介して、各供給パイプ４１に分割してアシストガス４５を送給しているが、これに限定されず、各供給パイプ４１に一つのガスタンク４２ａ、送給パイプ４２ｂ及びバルブ４２ｃを用意しても良く、その場合には、各供給パイプ４１から噴射されるアシストガス４５の流れ（圧力、流量等）を容易に微調整できるという利点がある。

図７に示すように、加工ヘッド３０は、さらに排出ユニット５０を具備する。
排出ユニット５０は、レーザ加工時に、トーチ３４内の雰囲気（保護ガラス３２にて反射するアシストガス４５の一部及び高温異物の一部を含む）を加工ヘッド３０の外部へ排出する排出手段であり、トーチ３４の中途部に配置される。

図７に示すように、排出ユニット５０は、一つ又は複数（本実施形態では四つ）の吸引パイプ５１、吸引ポンプ、吸引量調整バルブ（ともに不図示）等を含む。
各吸引パイプ５１は、一側がトーチ３４の外周部から吸引口５１ａを介して内部空間に臨むように設けられており、その反対側が吸引ポンプに接続されている。
吸引ポンプは、吸引パイプ５１の吸引口５１ａを介してトーチ３４内の雰囲気を吸引し、排出する。吸引ポンプと各吸引パイプ５１とは、吸引量調整バルブを介して接続されており、吸引量調整バルブを作動させることによって、吸引ポンプによる吸引量を適宜調整可能である。

図７に示すように、各吸引パイプ５１の吸引口５１ａは、トーチ３４の中途部に配置されており、各供給パイプ４１の噴射口４１ａよりもトーチ３４の出射口３４ｂ寄りに配置されている。吸引口５１ａは、レーザ光の集光範囲外に位置するように配置されている。
各吸引パイプ５１からはトーチ３４内の雰囲気が吸引される。つまり、トーチ３４内に供給されるアシストガス４５の一部とトーチ３４内に進入した高温異物の一部（特にヒューム）とが吸引される。

吸引ポンプは、一般的な定量ポンプ等により構成されており、各吸引パイプ５１に負圧を加えることによって、各吸引口５１ａを介してトーチ３４内の雰囲気を吸引する。吸引パイプ５１と吸引ポンプとの間には、吸引量調整バルブが介設されている。

吸引量調整バルブは、一般的な可変バルブ等により構成されており、吸引ポンプによる吸引量を調整している。つまり、吸引量調整バルブは、トーチ３４内から外部へ排出する流量を調整している。
また、吸引量調整バルブでは、各吸引パイプ５１から吸引される流量が適宜のセンサによって常時測定されており、各吸引パイプ５１を通過するトーチ３４内の圧力が一定となるように、つまり、トーチ３４の出射口３４ｂからワーク２の加工点に向けて供給されるアシストガス４５の流量が一定となるように調整している。

以上のように、排出ユニット５０では、レーザ加工装置１を用いたワーク２の加工の際、アシストガス供給ユニット４０によりトーチ３４内に供給されたアシストガス４５の一部及び高温異物の一部を含むトーチ３４内の雰囲気をトーチ３４外に排出している。
これにより、アシストガス供給ユニット４０によるアシストガス４５の過剰供給によってトーチ３４内が必要以上に高圧となることを防止できるので、前述のようにアシストガス４５を冷却ガスとして用いる際の保護ガラス３２及びトーチ３４内部への冷却性能を確保しつつ、アシストガス４５が不活性雰囲気を発生させるという本来の役割を担保できる。また、レーザ加工時に高温となり易いトーチ３４内の雰囲気を外部に排出でき、トーチ３４の冷却効率を向上できる。
また、アシストガス供給ユニット４０による流量（供給量）と、排出ユニット５０による吸引量（排出量）とは、前述のようにそれぞれ独立して調整可能に構成されている。これにより、最適なアシストガス４５の供給が可能となり、レーザ加工の品質を確保できる。

本実施形態では、トーチ３４内の雰囲気を外部へ排出する排出手段として、上述のように構成しているが、これに限定されず、例えば図８に示すように、トーチ３４の中途部に、トーチ３４の内外を連通する一つ又は複数の開放窓５６、開放窓５５の開口面積を調整するシャッタ５７等により排出ユニット５５を構成しても良い。
この場合、トーチ３４内はアシストガス４５の供給によりトーチ３４外部の雰囲気よりも高圧となっており、開放窓５６によってトーチ３４の内外を連通させることによって、差圧が発生し、トーチ３４内の雰囲気が外部に排出される。そして、シャッタ５７の調整により所定の開口面積となる開放窓５６を介して、トーチ３４内外の雰囲気を連通することにより、所定量のトーチ３４内の雰囲気をトーチ３４外へ排出可能としている。このように、排出ユニット５５は、排出ユニット５０と同様の効果を奏することに加えて、さらに吸引手段が不要であるためコスト的に有利である。

図９及び図１０に示すように、トーチ３４の内壁６０の先端から基端にかけて、溝６１・６１・・・が連続して設けられており、溝６１・６１・・・により内壁６０に凹凸面が構成されている。
内壁６０は、略円錐形状に形成されるトーチ３４の内部空間を画定する内周面であり、トーチ３４内を通過するレーザ光とのクリアランスは所定の大きさ以下（例えば、レーザ光の拡散を妨げない程度、かつ、レーザ光が外乱を受けない程度の大きさ）に設定されている。
内壁６０の表面全域には、複数の溝６１・６１・・・が連続して形成されている。各溝６１は、内壁６０に凹凸形状を形成する凹部であり、その凹凸形状によってトーチ３４の出射口３４ｂから進入する高温異物を保護ガラス３２と異なる方向へ反射させて拡散する。
言い換えれば、トーチ３４の内壁６０に溝６１・６１・・・を形成することにより、トーチ３４内に進入し、内壁６０に衝突する高温異物を溝６１・６１・・・で乱反射させて保護ガラス３２への到達率を低減している。

図９に示すように、各溝６１は、トーチ３４の軸を中心として、内壁６０の内周面の一周に亘って形成されており、トーチ３４の軸方向に対して連続的に形成されている。
また、図１０に示すように、各溝６１は、内壁６０からトーチ３４の外周側に向けて凹形状に陥没するように形成されている。より詳細には、溝６１は、ワーク２の加工点に対向する基端部側の垂直面として形成される反射面６２を有しており、ワーク２の加工点から飛散するスパッタ等の高温異物が溝６１の反射面６２に衝突して反射した場合、保護ガラス３２に向かう方向とは異なる方向へ向けて拡散するように（内壁６０での一度だけの反射では保護ガラス３２に到達しないように）設定されている。
つまり、トーチ３４の内壁６０に形成される溝６１・６１・・・は、レーザ加工時にワーク２の加工点から飛散する高温異物が内壁６０から保護ガラス３２へ向けて反射することを抑制するものであり、少なくともワーク２の加工点を始点とした放射線の入射角度が所定の角度以下とならないよう（当該放射線の反射線上に保護ガラス３２が位置しない角度）に設定される反射面６２を有する。

以上のように、トーチ３４の内壁６０には、溝６１・６１・・・が先端側から基端側にかけて連続的に形成されている。各溝６１は、ワーク２の加工点から飛散する高温異物を、当該溝６１から保護ガラス３２へ向かう方向と異なる方向へ反射させるように形成されている。
このように、トーチ３４の出射口３４ｂから内部に進入した高温異物が内壁６０の溝６１に衝突した場合に、保護ガラス３２側と異なる方向へ反射して拡散することによって、高温異物が保護ガラス３２に到達する確率が低くなる。また、溝６１・６１・・・にて複数回反射し、保護ガラス３２に到達する場合には、反射回数に応じて温度が低下し、飛散中に固化が進むため、保護ガラス３２への付着が抑制される。
従って、高温異物の保護ガラス３２への付着を抑制でき、保護ガラス３２への金属異物の溶け込みを抑制できるため、保護ガラス３２の透過率を維持し、その使用寿命を向上できる。特に、従来のように内壁６０が平面として形成されている場合と比較して顕著な効果を奏する。

また、高温異物は、溝６１にて複数回反射した後に、アンカー効果等により溝６１の凹部内で固化し、堆積異物６５として溝６１の内部に拡がった状態で捕集される。さらに、各溝６１は、内壁６０の内周面から外周側に後退するように凹設されているため、溝６１内に堆積する堆積異物６５がトーチ３４内を通過するレーザ光に接触する可能性が低くなる。
これにより、トーチ３４の内壁６０（より厳密には、溝６１の内部）に堆積する堆積異物６５がレーザ光を遮ることが抑制され、レーザ出力を維持できる。

なお、溝６１は、上述のような構成に限定されず、例えば図１１又は図１２に示すように、Ｖ状断面を有する三角形状又は鋸刃形状の溝として構成しても良く、少なくともワーク２の加工点と対向する面が、当該加工点から放射線状に広がる線の入射角度が上述のように設定される反射面６２として形成されていれば良い。
また、内壁６０の先端部側から基端部側に向かうに従って、溝６１の深さを大きくする、若しくは溝６１の反射面６２の傾斜角度を先端部側に大きく取る等により、基端部側に配置される溝６１に対するワーク２の加工点から飛散する高温異物の入射角度を調整する構成としても良い。

図１３〜図１５に示すように、トーチ３４の先端からチップ７０が延設されている。
チップ７０は、トーチ３４の先端からワーク２側に向けて延出して取り付けられている。また、チップ７０は、モリブデンを主体とする材料等、耐熱性及び耐久性に優れた材料からなる部材であり、トーチ３４とは別体として設けられている。
言い換えれば、トーチ３４の先端にチップ７０を付設することにより、加工ヘッド３０とワーク２の加工点との距離を短く設定することにより、ワーク２の加工点からの高温異物の進入経路に対するトーチ３４の開口面積を相対的に小さくして、ワーク２の加工点から飛散する高温異物のトーチ３４内への進入を抑制している。

図１４〜図１５に示すように、チップ７０は、トーチ３４の内周面に連続する面として設けられる内周面を有する開口部７１、開口部７１の周縁部の一部から外周側に向けたスリットとして設けられるアシストガス通路７２等を含む。
また、チップ７０におけるトーチ３４からの延出長、つまりチップ７０の先端とワーク２の加工点とのクリアランスは、レーザ加工時の溶融熱の影響、高温異物の進入確率、及びアシストガス４５の流速をそれぞれ考慮する必要があり、本実施形態では、チップ７０の延出長は、上記の要件を満足し、かつ、最低限の距離となるように設定されている。

図１５に示すように、開口部７１の内周面は、トーチ３４の内周面と同様に基端側から先端側に向かうに従って縮径する形状に形成されている。また、開口部７１先端の内径Ｄ１は、レーザ光の外径に応じた大きさ（つまり、レーザ光と所定のクリアランスを確保する最小限の大きさ）に設定されているとともに、トーチ３４の出射口３４ｂの内径Ｄよりも小さく設定されている。これにより、レーザ光を遮ることなく、加工ヘッド３０の先端の開口面積を小さくしている。
図１６に示すように、開口部７１の開口面積Ｓ１とアシストガス通路７２の開口面積Ｓ２との和は、トーチ３４の出射口３４ｂの開口面積Ｓより小さく設定される。

また、図１４に示すように、各アシストガス通路７２は、開口部７１の周縁部から放射線状に開口する有底状のスリットとして形成されている。アシストガス通路７２の底部の内径はトーチ３４の出射口３４ｂの内径と同一に設定されている。
また、アシストガス通路７２は、トーチ３４の内周面に連続する内周面を有する。これにより、図１７に示すように、アシストガス４５が流体の流れ特性に従って、トーチ３４の内周面からアシストガス通路７２の内周面に沿って流れるため、ワーク２の加工点に良好な不活性雰囲気を発生させることができる。

以上のように、トーチ３４の先端には、チップ７０が延設されている。チップ７０は、トーチ３４内を通過するレーザ光の外径に応じた内径Ｄ１を有する開口部７１と、開口部７１の周縁部の一部から外周部に向けて開口するアシストガス通路７２とを有する。
このように、チップ７０の先端の開口面積は、トーチ３４の出射口３４ｂの開口面積よりも小さく設定できるので、チップ７０の先端からトーチ３４内に進入する高温異物の量を物理的に低減することができる。
従って、高温異物の保護ガラス３２への付着を抑制でき、保護ガラス３２への金属異物の溶け込みを抑制できるため、保護ガラス３２の透過率を維持し、その使用寿命を向上できる。特に、従来のように高温異物の進入経路に対する開口面積が大きい場合と比較して顕著な効果を奏する。

また、チップ７０により、加工ヘッド３０とワーク２の加工点とのクリアランスが短くなっているため、アシストガス４５の流速等に対する考慮が必要となるが、トーチ３４の内周面に連続する内周面を有するアシストガス通路７２が設けられている。
これにより、トーチ３４の内周面に沿って流れるアシストガス４５が、チップ７０内でアシストガス通路７２に沿って流れることとなる。つまり、アシストガス通路７２は、アシストガス４５の流路として機能している。また、チップ７０の先端の開口面積を追加するため、アシストガス４５の通路面積も拡大される。
従って、ワーク２の加工点に対するアシストガス４５の集中を防止でき、チップ７０から噴射されるアシストガス４５の流速増加を防止できる。

また、チップ７０はトーチ３４と別体に設けられている。
これにより、チップ７０の最適材料の選定、チップ７０の内周面（特に、開口部７１及びアシストガス通路７２の形状）の加工精度等の点で有利であり、従来のレーザ加工装置へチップ７０を適用する際に優れた汎用性を実現できる。

なお、チップ７０にはトーチ３４の軸方向と平行に開口するアシストガス通路７２を八つ設けているが、これに限定されず、所定の通路面積を確保し、かつアシストガス４５の流れを阻害しない形状であれば良い。
また、開口部７１の先端部分は、開口部７１の周縁部からチップ７０の外周側に向けて拡張される形状としても良い。この場合、アシストガス４５の流れをさらに改善することができる。

本発明は、ワークに溶接、切断等のレーザ加工を施すレーザ加工装置に利用でき、特に、レーザ加工装置の光学系の一部をなす保護ガラスを保護する技術に適している。

１ レーザ加工装置
２ ワーク
３０ 加工ヘッド
３１ 集光レンズ
３２ 保護ガラス
３４ トーチ
４０ アシストガス供給ユニット（冷却手段）
４５ アシストガス（冷却ガス）
５０ 排出ユニット（排出手段）

Claims (7)

1. ワークの表面にレーザ光を照射することにより、前記ワーク表面を溶融させて加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光を前記ワーク表面に向けて集光する集光レンズと、
   前記集光レンズのワーク側に配置され、前記集光レンズを保護する保護ガラスと、
   前記ワークに臨んで配置され、前記レーザ光を出射するトーチと、
   前記保護ガラスを冷却する冷却手段と、を具備し、
   前記トーチの先端には、前記ワーク表面に向けて延出されるチップが設けられ、
   前記チップの開口面積は、前記トーチの開口面積より小さく設定され、
   前記トーチの内壁は、凹凸面として形成され、
   前記トーチの内壁の凹凸面におけるワーク表面と対向する面は、前記ワーク表面から放射線状に広がる直線の当該ワーク表面と対向する面での反射線が前記保護ガラスとは異なる方向に進むように形成され、かつ、
   前記トーチの内壁の凹凸面は、前記トーチの内壁から外壁側に向けて陥没する凹形状として形成され、かつ、前記トーチの先端部から基端部に設けられる複数の溝により構成されているレーザ加工装置。
2. 前記冷却手段は、前記保護ガラスに前記ワークの加工時にワーク表面に噴射されることにより、当該ワーク表面に不活性雰囲気を形成するアシストガスを噴射することにより、前記保護ガラスと、前記トーチ内の保護ガラス周囲の雰囲気とを冷却する請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記チップの内周面は、前記トーチの内壁と連続するとともに、
   前記チップの基端から先端にかけて、開口部の周縁部の一部から外周側に向けて開口するスリットが形成される請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記チップは、前記トーチと別体として設けられる請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記冷却手段は、前記アシストガスを噴射する噴射口を複数有し、
   前記冷却手段の複数の噴射口は、前記トーチの内部に臨むように配置され、かつ、それぞれ前記トーチの周方向に間隔を空けて配置され、
   前記アシストガスは、前記複数の噴射口から前記保護ガラスの表面に向けて噴射される請求項２〜請求項４の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記トーチ内の雰囲気をトーチ外部へ排出する排出手段をさらに具備し、
   前記排出手段は、前記トーチ内の雰囲気をトーチ外部へ排出する排出口と、前記トーチ外へ排出されるトーチ内雰囲気の流量を調整する手段とを有し、
   前記排出口は、前記トーチの中途部であって、前記複数の噴射口よりも前記トーチの開口側に配置される請求項１〜５の何れか一項に記載のレーザ加工装置。
7. ワークの表面にレーザ光を照射することにより、前記ワーク表面を溶融させて加工を施すレーザ加工装置であって、
   前記レーザ光を前記ワーク表面に向けて集光する集光レンズと、
   前記集光レンズのワーク側に配置され、前記集光レンズを保護する保護ガラスと、
   前記ワークに臨んで配置され、前記レーザ光を出射するトーチと、
   前記保護ガラスに、前記ワークの加工時にワーク表面に噴射されることにより当該ワーク表面に不活性雰囲気を形成するアシストガスを噴射して、当該保護ガラスを冷却する冷却手段と、を具備し、
   前記トーチの先端には、前記ワーク表面に向けて延出されるチップが設けられ、
   前記チップの開口面積は、前記トーチの開口面積より小さく設定され、
   前記チップの内周面は、前記トーチの内壁と連続するとともに、前記チップの基端から先端にかけて、開口部の周縁部から放射状かつ均等に開口するスリット状のアシストガス通路が形成されるレーザ加工装置。

Images