JP5507230B2 - レーザ切断装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器から出射されたレーザビームをリング状に形成して被切断材に照射すると共にリング状のビームの軸に沿って酸素ガスを噴射して被切断材を切断し得るように構成したレーザ切断装置に関するものである。

被切断材に向けてレーザトーチからレーザビームを照射すると共にアシストガスを噴射して切断することが行われている。このレーザ切断では、レーザ発振器から出射されたレーザビームはレンズによって集光され、被切断材にエネルギ密度の高いレーザスポットを形成する。レーザスポットが形成された被切断材では母材が蒸発又は溶融し、噴射されたアシストガスによって母材から排除される。そして、レーザトーチを移動させることで被切断材に連続した溝を形成して切断する。

被切断材が軟鋼を含む鋼板である場合、波長が１０．６μｍの炭酸ガスレーザが一般的に用いられる。しかし、最近ではＹＡＧレーザを含む固体レーザやファイバレーザ等の炭酸ガスレーザの波長の約１／１０の波長を持つレーザも鋼材を切断するための手段として注目されている。

例えば特許文献１には、ＹＡＧレーザを採用して溶接或いは切断するレーザ加工装置及びレーザ加工ヘッドの発明が記載されている。この発明は、従来のレーザ光の周囲から切断ガスを供給することによる切断ガスの圧力が、集光レンズ系の耐圧強度に影響されて高くするのに限度がある、という点を解決すべき課題の一つとしている。

特許文献１の技術では、レーザ加工ヘッドが、レーザ光を複数の束に分割する光学系と、レーザ光を被加工部に集光する複数の集光光学系と、複数の集光光学系によって集光されるレーザ光の束の間に加工手段を交換自在に支持し加工手段の加工部位を被加工部に向けて配置する支持部を備えることによって、同一の被加工部に対して常に一致させてレーザ加工と他の加工を同時に行うことができる。この結果、被加工部に対してレーザビームと、他の加工の加工用動力とを同時にしかもレンズ系に影響を与えることなく供給して良好な加工ができる。

特許第３７５２１１２号公報

炭酸ガスレーザを用いて鋼板を切断するレーザ切断方法、及び特許文献１に記載されたレーザ加工装置によって鋼板を切断する方法の何れもレーザビームの焦点を被加工材の略表面に位置させてレーザスポットを形成している。そして、レーザスポットに向けてアシストガス或いは切断ガスを噴射することで被切断材を切断している。従って、被切断材に対する切断プロセスの主役はレーザビームが演じており、アシストガス、切断ガスは補助的な役割を演じるに過ぎない。

このため、レーザビームとアシストガス又は切断ガスとの関係を見直してより合理的な切断を実現することが求められている。特に、固体レーザやファイバレーザを利用して軟鋼板を切断する場合、切断し得る厚さは１２ｍｍ〜１６ｍｍ程度が限界である。このため、切断可能な板厚をより大きくすることできる切断装置が求められている。

また、波長が１μｍ近傍の固体レーザやファイバレーザを用いた場合、レーザビームが漏れて周囲の物体に照射されると、照射された物体に損傷を与える虞がある。

本発明の目的は、固体レーザやファイバレーザによる被切断材の切断可能厚さを向上させることができ且つ該被切断材を二次元的に切断することができるレーザ切断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るレーザ切断装置は、レールに沿って走行可能に構成された走行台車と、前記走行台車に搭載され該走行台車の走行方向とは直交する方向に横行可能に構成された横行台車と、前記横行台車に搭載された固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器と、前記横行台車に搭載され被切断材の表面と対向して配置されたノズルを有するレーザトーチと、前記固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器から前記レーザトーチのノズルの間に構成された光学系と、前記レーザトーチに接続された酸素ガス供給系と、を有し、前記固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器から出射されたレーザビームを前記光学系を介してリング状のビームに形成して前記レーザトーチのノズルから被切断材に向けて照射すると共に前記酸素ガス供給系から供給された酸素ガスを前記レーザトーチのノズルから被切断材に向けて噴射することで被切断材を切断するように構成したものである。

上記レーザ切断装置に於いて、前記光学系は、少なくとも円錐プリズムと凸レンズと光ファイバを有することが好ましい。

本発明に係るレーザ切断装置では、固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器（以下「レーザ発振器」という）から出射されたレーザビームをリング状のビームに形成してレーザトーチから被切断材に向けて照射すると共に酸素ガスを噴射することで、被切断材を加熱し且つ加熱部位を切断することができる。そして、走行台車及び横行台車を所望の方向に所望の速度で移動させることによって、横行台車に搭載したレーザトーチを被切断材に対し二次元的に移動させることで、所望の形状を切断することができる。

特に、被切断材に照射されるレーザビームがリング状に形成されていることから、被切断材に於ける被照射部位を蒸発或いは溶融させることなく加熱することができ、このレーザビームと同時に酸素ガスを噴射することによって、加熱された被切断材の母材を燃焼させると共に溶融物を母材から排除して切断することができる。即ち、従来のレーザ切断法とは異なり、従来のガス切断法と類似することになる。このため、母材の燃焼発熱による被切断材の加熱を実現することが可能となり、同じ出力のレーザ発振器を用いた場合でも、より厚い被切断材を切断することができる。

また、少なくとも円錐プリズムと凸レンズと光ファイバを有する光学系を設けることで、レーザ発振器から出射されたレーザビームを円錐プリズムによってリング状にし、凸レンズによってリング状のビームに形成してノズルから被切断材に向けて照射することができる。

第１実施例に係るレーザ切断装置の構成を説明する図である。 レーザトーチとカバーの関係を説明する図である リング状に形成したレーザビームによって切断する方法を説明する図である。 レーザ切断装置に於ける光学系の構成を説明する模式図である。 レーザトーチの構成を説明する図である。 円錐プリズムと凸レンズによってリング状のビームを形成する説明図である。 第２実施例に係るレーザ切断装置の構成を説明する図である。

以下、本発明に係るレーザ切断装置について説明する。本発明に係るレーザ切断装置は、リング状に形成したレーザビームによって被切断材を加熱し、この加熱部位に酸素ガスを噴射して母材を燃焼させると共に酸素ガスの持つ運動エネルギによって燃焼生成物、溶融物を母材から排除することで被切断材を切断するものである。即ち、本発明に係るレーザ切断装置で採用する切断方法は従来のガス切断法に近く、レーザビームのエネルギによって被切断材を蒸発或いは溶融させて切断する従来のレーザ切断方法とは異なる切断方法を実現したものである。

このため、被切断材は、酸素ガスによって母材が燃焼し得る材質であることが必要である。即ち、被切断材としては、従来よりガス切断法によって良好な切断を実現し得る材質のもの全てを対象とすることが可能であり、好ましくは軟鋼、炭素鋼、合金鋼等の材質を含む鋼板である。

本実施例に係るレーザ切断装置の構成を説明するのに先立って、図３〜図６によりリング状に形成したレーザビームを採用したレーザ切断方法について説明する。本実施例では、Ｎｄ．ＹＡＧレーザ、ＤｌＳＣレーザ等の固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器等のレーザ発振器から出射されたレーザビームをリング状のビーム（以下「リングビーム」という）１に形成してレーザトーチのノズル３から被切断材４に照射している。

リングビーム１は、レーザビームがリング状に形成されていれば良く、如何なる手段でリング状に形成するかを限定するものではない。リングビーム１を形成する方法としては、後述するレーザ切断装置のように、円錐プリズム１３と凸レンズ１４を組み合わせて利用する方法や、短焦点レンズを利用する方法等の方法があり、これらを選択的に採用することが好ましい。

リングビーム１のエネルギ密度はレンズによって集光して形成されたレーザスポットのエネルギ密度と比較して低くなり、リングビーム１が照射された被切断材４の母材は温度が上昇するものの蒸発或いは溶融することはない。特に、リングビーム１は、ガス切断の予熱原理と同様に被切断材４に対する被照射部位が約９００℃〜約１０００℃程度まで上昇し得るエネルギ密度であることが好ましい。そして、被切断材４に於けるリングビーム１による被照射部位が約９００℃〜約１０００℃まで上昇することで、リングビーム１の軸５に沿って酸素ガス２を噴射することによって母材を燃焼させることが可能である。

リングビーム１の軸５に沿って噴射される酸素ガス２としては、通常のガス切断に用いる酸素ガスと同じ純度のものを用いることが可能である。特に、酸素ガス２をリングビーム１の軸５に沿って噴射したとき、噴射された酸素ガス２はリングビーム１の内径１ａに沿うことが好ましい。

即ち、ノズル３から噴射された酸素ガス２は、外径がリングビーム１の内径１ａと一致するか、或いは僅かに小さいことが好ましい。しかし、酸素ガス２はノズル３に対し大気圧よりも高い圧力を持って供給されるため、ノズル３から噴射されたと同時に膨張し、リングビーム１の内径１ａに沿って噴射することを保証し得ない。

このため、レーザトーチに於けるリングビーム１の出射孔であり且つ酸素ガス２の噴射孔であるノズル３の孔３ａをリングビーム１の内径１ａと略等しいか或いは僅かに小さい値で形成することによって、ノズル３から噴射された酸素ガス２をリングビーム１の内径１ａに略沿わせることが可能となる。ノズル３の孔３ａの形状は、ノズル３に供給される酸素ガスの圧力との関係で、ストレート状、末広がり状等に適宜設定することが好ましい。

また、ノズル３の孔３ａから噴射された酸素ガス２が正確にリングビーム１の内径１ａに沿う必要はなく、例えば、酸素ガス２がリングビーム１の内径１ａよりも大きく、一部がリングビーム１に重複していても問題はない。また酸素ガス２がリングビーム１の内径１ａよりも小さく、両者の間に隙間が形成されているような場合、被切断材４に対する切断を開始する際に多少時間が余計にかかることもあるが、一度切断が開始された後は大きな問題が生じることはない。しかし、酸素ガス２がリングビーム１と全く重なるか、外径１ｂよりも大きくなった場合、バーニングが生じる虞がある。

リングビーム１の内径１ａの寸法は特に限定するものではない。このリングビーム１の内径１ａは被切断材４に対する加熱範囲を規定するものであり、酸素ガス２を噴射したときに燃焼する母材の範囲を規定し、被切断材４に形成される切幅の値を規定することとなる。従って、リングビーム１の内径１ａの寸法は被切断材４の厚さに応じて変化するものの、約０．５ｍｍ〜約２ｍｍの範囲であることが好ましい。

また、リングビーム１の外径１ｂの寸法も限定するものではない。特に、リングビーム１の外径１ｂと内径１ａの差の１／２（ビーム幅）が被切断材４に対する加熱機能を有する部位（加熱部）となる。この加熱部の寸法は、被切断材４の厚さに応じて変化するものの、約０．５ｍｍ程度あれば充分である。従って、リングビーム１の外径１ｂの寸法は約１．５ｍｍ〜約３ｍｍ程度であることが好ましい。

しかし、リングビーム１の内径１ａ、外径１ｂの寸法は前述の寸法に限定するものではなく、被切断材４の表面を短時間でガス切断の予熱原理と同様な約９００℃〜１０００℃まで上昇させるのに必要なエネルギ密度を有する寸法に設定することが可能な寸法であることは当然である。

またノズル３の被切断材４の表面からの距離（ノズル３の高さ）は限定するものではないが、該ノズル３から噴射された酸素ガス２の膨張や空気による純度の低下、を考慮すると可及的に接近していることが好ましい。しかし、ノズル３の高さを低くすると、被切断材４に歪みが生じたときに接触したり、切断部位から生じるスパッタが付着し或いは孔３ａの内部に入り込むことがある。このため、ノズル３の高さを約３ｍｍ以上に設定することが好ましい。

特に、リングビーム１が平行光線によって形成されている場合には、ノズル３の高さが如何なる値であっても変化することはないが、凸レンズを利用して集光しているような場合、凸レンズの焦点距離との関係も考慮する必要がある。

上記の如きリングビーム１及び酸素ガス２によって被切断材４に対してピアシング、及びピアシング点を起点として切断する手順について説明する。先ず、ノズル３の高さを設定すると共に被切断材４に予め設定されている切断の開始点（ピアシング点）まで移動させて停止させる。

所定の停止位置で、ノズル３から被切断材４に向けてリングビーム１を照射すると、リングビーム１に照射された部位の母材温度が上昇する。そして、被切断材４に於けるリングビーム１による照射部位の温度がガス切断の予熱原理と同様な約９００℃〜約１０００℃の範囲にまで上昇したとき、リングビーム１の軸５に沿ってノズル３の孔３ａから酸素ガス２を噴射すると、温度上昇した部位の母材が燃焼し、溶融物が生じる。

母材の燃焼に伴って発生する流動性を持った燃焼生成物、及び溶融物は、噴射された酸素ガスの運動エネルギによって母材から排除され、新たな母材が露出する。また、母材の燃焼に伴う燃焼熱によって母材は厚さ方向に加熱される。即ち、被切断材４は表面側がリングビーム１によって加熱され、厚さ方向が燃焼熱によって加熱される。このため、引き続く酸素ガス２の噴射により、母材の燃焼が継続し、被切断材４には厚さ方向に貫通した孔が形成（ピアシング）される。

被切断材４に貫通孔を形成した後、リングビーム１の照射、酸素ガス２の噴射を継続させた状態でノズル３を予め設定された方向に移動させると、ノズル３の移動に伴って、リングビーム１は連続して被切断材４の表面に対する加熱を行い、同時に酸素ガス２は被切断材４に対し母材の燃焼、燃焼生成物及び溶融物の母材からの排除を継続する。前記の如くして被切断材４に連続した溝を形成することで、被切断材４を切断することが可能である。

上記の如きリングビーム１を形成するための装置は、レーザ発振器１１と、ノズル３を有するレーザトーチ１２と、レーザ発振器１１とノズル３との間に構成され少なくとも円錐プリズム１３と凸レンズ１４と光ファイバ１５とを有する光学系１６と、ホース１７ａを介してレーザトーチ１２に接続された酸素ガス供給系１７と、を有して構成されている。

レーザ発振器１１は、Ｎｄ．ＹＡＧレーザ、ＤｌＳＣレーザ等の固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器等の中から選択されたレーザ発振器によって構成されている。これらのレーザ発振器から出射されるレーザビームは波長が約１μｍであり、炭酸ガスレーザ発振器から出射されたレーザビームの波長の約１／１０である。

レーザ発振器１１が固体レーザ発振器である場合、レーザビームの開口数（ＮＡ）は０．２であり、約３２度と大きく、レーザ発振器１１とレーザトーチ１２は光ファイバ１５を介して直接接続される。光ファイバ１５のコア径は特に限定するものではないが、開口数を０．２又はそれ以上とし、コア径が０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの光ファイバを用いている。

しかし、レーザ発振器１１がファイバレーザ発振器である場合、レーザビームの開口数は０．１であり、広がり角が個体レーザ発振器から出射されたレーザビームの広がり角の１／２である。このため、レーザ発振器１１に凸レンズ１８ａ、１８ｂを設けたカップリング１８を配置し、このカップリング１８内でレーザビームの開口数を０．１から０．２に変換した後、光ファイバ１５に入射し得るように構成している。

図５に示すように、レーザトーチ１２の内部には、レーザビームを通過させることが可能で、且つ円錐プリズム１３、凸レンズ１４を設置することが可能な室１２ａが形成されている。また、レーザトーチ１２は、本体部１２ｂと、本体部１２ｂに対し着脱可能に構成されたレンズユニット部１２ｃと、レンズユニット部１２ｃに対し着脱可能に構成されたノズルユニット部１２ｄと、を有して構成されている。そして、本体部１２ｂに対し、レンズユニット部１２ｃ、ノズルユニット部１２ｄを取り付けることで、内部に室１２ａを有するレーザトーチ１２が構成される。

レーザトーチ１２の本体部１２ｂの上端側に、保護チューブ１５ａによって保護された光ファイバ１５が接続され、この光ファイバ１５が室１２ａに開口してレーザビームを出射し得るように構成されている。

レーザトーチ１２の室１２ａの上流側に対応する本体部１２ｂに、レーザビームを拡大するための凹レンズ１９ａと凸レンズ１９ｂとの組み合わせによって構成された光学系１９が設けられており、この光学系１９の下流側にダイクロイックミラー２０が設けられている。そして、ダイクロイックミラー２０によって、該ダイクロイックミラーに入射したレーザビームの大部分が円錐プリズム１３、凸レンズ１４を経てレーザトーチ１２の下端に設けたノズル３方向に分光され、一部分が監視系２１に分光される。

監視系２１は、ＣＣＤカメラ２２と、ミラー２３と、レンズユニット２４と、を有して構成されており、各構成部材２２〜２４はダイクロイックミラー２０に対し４５度の光軸２１ａに沿って配置されている。このように構成された監視系２１では、ダイクロイックミラー２０から分光したレーザビームは光軸２１ａに沿って進行し、レンズユニット２４によって集光されつつミラー２３によって経路が変化してＣＣＤカメラ２２に入射する。

従って、ＣＣＤカメラ２２はダイクロイックミラー２０に於けるレーザビームを撮影することとなり、該ＣＣＤカメラ２２によって撮影されたレーザビームは、図示しないディスプレイに表示され、レーザビームの稼動状況がオペレーターによって監視される。

円錐プリズム１３及び凸レンズ１４は、レーザトーチ１２の本体部１２ｂに着脱可能に設けたレンズユニット部１２ｃに設けられており、夫々の光軸が同一の軸５に一致して配置されている。このため、ダイクロイックミラー２０を通過して円錐プリズム１３に入射したレーザビームを軸５を有するリングビーム１に形成することが可能である。

レンズユニット部１２ｃは、二重の円筒によって構成されており、内周面に円錐プリズム１３と凸レンズ１４が取り付けられている。また、二重の円筒の内部には冷却水通路２８が構成されている。そして、レンズユニット部１２ｃの外周面には冷却水通路２８に冷却水を供給し、或いは排水する給排水口２９が設けられている。従って、一方の給排水口２９から冷却水通路２８に冷却水を供給することで、レンズユニット部１２ｃを構成する円筒部材を介して円錐プリズム１３、凸レンズ１４を冷却することが可能である。

円錐プリズム１３及び凸レンズ１４は、調整リング２５を介してレンズユニット部１２ｃに取り付けられることで、両者の間隔が一定に保持されている。また、円錐プリズム１３及び凸レンズ１４の外周面がレンズユニット部１２ｃの内周面に対し接触し得るように配置されることで、良好な冷却を実現し得るように構成されている。特に、レーザトーチ１２の室１２ａには、圧力を持った酸素ガスが供給されるため、円錐プリズム１３、凸レンズ１４を前記の如く構成しておくことで、互いの間隔が変化することがなく、安定したレーザビームの屈折と集光を実現することが可能となる。

円錐プリズム１３及び凸レンズ１４の仕様は、円錐プリズム１３に入射するレーザビームの直径や、形成すべきリングビーム１の寸法に対応して適宜設定される。本実施例に於いて、円錐プリズム１３に於ける底面と法線とのなす角度を１度に設定し、凸レンズ１４は焦点距離が３０ｍｍ、５０ｍｍ、１００ｍｍのものを選択的に用いて円錐プリズム１３と組み合わせている。

上記の如く組み合わせた円錐プリズム１３と凸レンズ１４では、図６に示すように、円錐プリズム１３に入射したレーザビームは円錐面の傾きに対応して屈折することでリングビームが形成される。そして、円錐プリズム１３から出射されたリングビーム１は凸レンズ１４に入射して集光され、焦点を通過した後拡大して被切断材４にリングビーム１を形成する。

ノズルユニット部１２ｄは、レーザトーチ１２の本体部１２ｂに取り付けたレンズユニット部１２ｃの下端部に対し着脱可能に構成され、先端にリングビーム１を出射し且つ酸素ガス２を噴射する孔３ａが形成されている。前記孔３ａの中心軸は円錐プリズム１３、凸レンズ１４の光軸５、即ち、リングビーム１の軸５と一致しており、被切断材４に対し孔３ａからリングビーム１を照射すると共に酸素ガス２を噴射することで、リングビーム１の軸５に沿って酸素ガスを噴射することが可能である。

ノズルユニット部１２ｄの所定位置にはニップル１７ｂが取り付けられており、該ニップル１７ｂ、ホース１７ａを介して酸素ガス供給系１７と接続されている。酸素ガス供給系１７の構造は特に限定するものではなく、酸素ボンベ、工場配管を含む酸素ガス供給系を採用することが可能である。

また、酸素ガス供給系１７からノズルユニット部１２ｄに供給する供給圧は、ノズル３に形成された孔３ａの断面形状に応じて設定される。即ち、前記供給圧は、孔３ａから噴射した酸素ガス噴流が可及的に直線性を保持し、且つ効率良く圧力エネルギを速度エネルギに変換し得るような圧力に設定されることが好ましい。

上記構成に於いて、レーザ発振器１１から出射されたレーザビームは該レーザ発振器１１の構造に応じて、直接光ファイバ１５によって、或いはカップリング１８を経た後光ファイバ１５によってレーザトーチ１２の室１２ａに至る。次いで、室１２ａで光ファイバ１５から出射し、光学系１９を構成する凹レンズ１９ａ、凸レンズ１９ｂを経て略平行なビームとなりダイクロイックミラー２０に入射する。

ダイクロイックミラー２０では、入射したレーザビームの一部分が光軸２１ａに沿って監視系２１に導かれ、大部分が軸５に沿って円錐プリズム１３、凸レンズ１４に導かれる。監視系２１では、ＣＣＤカメラ２２によって撮影された画像が図示しないディスプレイに表示され、レーザビームの稼動状況がオペレータによって監視される。

円錐プリズム１３に入射したレーザビームは軸５に向けて屈折し、凸レンズ１４に入射して集光され、リングビーム１が形成される。形成されたリングビーム１はノズル３の孔３ａを通過し、図１に示すように、被切断材４に照射されて該被切断材４を加熱する。

リングビーム１による被切断材４の加熱と同時に、或いは所定時間経過した後、酸素ガス供給系１７からノズルユニット部１２ｄに酸素ガスを供給する。ノズルユニット部１２ｄに供給された酸素ガスは、ノズル３の孔３ａから被切断材４の加熱部位に向けて噴射し、予め加熱されていた母材を燃焼させると共に、燃焼熱によって母材を加熱し、且つ燃焼生成物を排除する。

上記の如くして母材の燃焼、燃焼生成物の排除を行いつつ、レーザトーチ１２を予め設定された切断方向に移動させることで、被切断材を切断することが可能である。

次に、図１、２により第１実施例に係るレーザ切断装置の構成について説明する。本実施例に係るレーザ切断装置は、平行に敷設された一対のレール３１に搭載された走行台車となる門型のフレーム３２を有している。このフレーム３２は、レール３１毎に設けられたサドル３２ａと、レール３１の敷設方向に対し直交方向に配置されてサドル３２ａに連結されたガーター３２ｂを有しており、走行モーター３２ｃに駆動されてレール３１に沿って所望の方向に所望の速度で走行し得るように構成されている。

フレーム３２を構成するガーター３２ｂにはレール３１に対し直交方向に横行レール３２ｄが敷設されており、該横行レール３２ｄに横行台車となる横行キャリッジ３３が搭載され、横行モーター３３ａに駆動されて横行レール３２ｄに沿って所望の方向に所望の速度で横行し得るように構成されている。

横行キャリッジ３３に設けた昇降ブラケット３３ｂにはレーザトーチ１２が設けられており、昇降モーター３３ｃに駆動されて昇降し得るように構成されている。また昇降ブラケット３３ｂの下端部分にはトーチブラケット３４が設けられており、該トーチブラケット３４にレーザトーチ１２が装着されている。尚、図１には示していないが、トーチブラケット３４に装着したレーザトーチ１２は、前述したように監視系２１（図５参照）が構成されている。

横行キャリッジ３３には、ファイバレーザ発振器からなるレーザ発振器１１、カップリング１８、及び図示しない酸素ガスのホースや冷却水の給排水ホースの中継器具を含む作業に必要な機器類が搭載されている。そして、レーザ発振器１１とカップリング１８は光ファイバ１５によって接続され、更に、カップリング１８とレーザトーチ１２が光ファイバ１５によって接続されている。尚、前述したように、レーザ発振器１１が固体レーザ発振器である場合、カップリング１８を介することなく、レーザ発振器１１とレーザトーチ１２は光ファイバ１５によって直接接続される。

また、横行キャリッジ３３に設けた昇降ブラケット３３ｂには、ケーブル類を支持案内するための装置となるケーブルベア（登録商標）３５が設けられており、該ケーブルベア（登録商標）３５に光ファイバ１５や、図示しない酸素ガスのホース、冷却水の給排水ホース、監視系２１の通信ケーブルを含む複数のホース類やケーブル類及び光ファイバ等が配置され、夫々が無理なくレーザトーチ１２に接続し得るように構成されている。

トーチブラケット３４の下方には、レーザトーチ１２の先端部分及びノズル３を覆うカバー３６が構成されている。カバー３６は、ノズル３から被切断材４に向けて照射されたリングビーム１によって該被切断材４を加熱し、酸素ガスを噴射して切断しているとき、周囲にいる作業員が被切断材４の加熱部位或いは切断部位を直接目視するのを防ぐと共に被切断材４の表面から反射したレーザビームの反射光３７の漏洩を防ぐものである。

カバー３６の形状は特に限定するものではなく、レーザトーチ１２による被切断材４の加熱時に或いは切断時に被切断材４から反射したレーザビームの反射光３７の漏洩を防ぐことが可能な形状であれば良い。このような形状としては、水平断面がレーザトーチ１２を中心とする円形、四角形を含む多角形等を含む如何なる形状であっても良い。

またカバー３６の寸法も特に限定するものではないが、リングビーム１による被切断材４の加熱時に生じる輻射熱、酸素ガス２の噴射による切断時に生じる輻射熱とスパッタ、等による悪影響を受けることがないように、レーザトーチ１２のノズル３から離隔していることが必要である。

このため、カバー３６は水平断面が円形に形成され、トーチブラケット３４に固定された取付部３６ａと、取付部３６ａに連続したテーパ部３６ｂと、テーパ部３６ｂに連続したスカート部３６ｃと、を有して構成されている。特に、スカート部３６ｃの下端部分は被切断材４の表面に対し隙間なく接触し得るように構成された接触部３６ｄが設けられており、これによりレーザビームの反射光３７が漏洩するのを防止することが可能である。この接触部３６ｄは下端部分が被切断材４の表面と接触して擦れて消耗するため、スカート部３６ｃに対し着脱可能に構成されている。

カバー３６を構成する材料としては、リングビーム１を構成するレーザ光の波長を透過し得ないものであれば良い。このような材料としては、鋼板やステンレス鋼板、或いは緑色に着色された透明なガラスやアクリル、軟質塩化ビニルを含む合成樹脂等があり、これらの材料を選択的に用いることが可能である。

本実施例に於いて、カバー３６は、取付部３６ａ、テーパ部３６ｂ、スカート部３６ｃは鋼板によって構成され、接触部３６ｄは軟質塩化ビニルによって構成されている。また、テーパ部３６ｂには内部を視認し得るように開口部を形成しておき、この開口部を緑色に着色した透明ガラス等によって窓状に構成することが好ましい。

フレーム３２の一方の端部側であって敷設されたレール３１よりも外側にステップ３８が設けられており、このステップ３８に制御盤３９が設けられている。制御盤３９にはレーザ切断装置全体の動作を制御する制御装置が収容されており、表面には、動作を進行させる上で必要な情報を表示するディスプレイ等の出力部３９ａや、切断に必要なデータを入力するキーボード等の入力部３９ｂが設けられている。

一対のレール３１の間に切断定盤４１が構成されている。この切断定盤４１は、被切断材４を載置して支持するものであり、略一定の間隔を保持して配置された複数の差し板４２を有して構成されている。

上記の如く構成されたレーザ切断装置では、切断定盤４１に被切断材４を載置し、この被切断材４の材質や板厚に対応した切断速度等の被切断材情報、被切断材４から切断する形状や数量等の切断情報を制御装置に入力し、酸素ガス供給系１７を操作してレーザトーチ１２のノズル３から噴射させる酸素ガス２の圧力を設定し、更に、レーザトーチ１２に対する冷却水の給排水等を含む切断を開始するにあたっての準備作業を行う。

その後、被切断剤４に対する切断作業を開始させると、フレーム３２が走行すると共に横行キャリッジ３３が横行してレーザトーチ１２のノズル３を切断開始位置（ピアシング位置）まで移動させる。ノズル３がピアシング位置に到達すると、レーザ発振器１１の作動が開始されレーザビームが出射される。このレーザビームは光ファイバ１５、カップリング１８、光ファイバ１５を通ってレーザトーチ１２に至り、ノズル３から出射されて被切断材４の表面にリングビーム１を形成する。

リングビーム１が形成された被切断材４は、被照射位置が溶融したり蒸発することなく一様に加熱され、これにより、ガス切断に於ける予熱が行われる。所定時間の加熱を行った後、ホース１７ａを通って酸素ガスが供給され、ノズル３から被切断材４のリングビーム１の形成位置に向かって噴射される。噴射された酸素ガス２は被切断材４の加熱部位を燃焼させると共に、燃焼により生成した溶融物を排除することでピアシングを行う。

ピアシングによって被切断材４の切断開始位置には厚さ方向に貫通した孔が形成され、この孔を開始点として目的の切断が行われる。被切断材４に対する切断は、連続したリングビーム１の形成と連続した酸素ガス２の噴射、フレーム３２及び横行キャリッジ３３の所望の方向に対する所望の速度での移動の合成によるレーザトーチ１２の移動によって行われる。

そして、被切断剤４に対する目的の切断が終了したとき、レーザトーチ１２のノズル３に対する酸素ガス２の供給が遮断されると共にレーザ発振器１１からのレーザビームの出射が停止する。このような一連の作業を行うことで、被切断材４から目的の形状を切断することが可能である。

次に、第２実施例に係るレーザ切断装置の構成について図７により説明する。本実施例のレーザ切断装置は前述の第１実施例に係るレーザ切断装置と比較するとカバーの構成のみが異なっており、他の構成は同じである。このため、カバーの構成についてのみ説明する。

本実施例では、カバー４５はフレーム３２の略全体を覆うように構成されている。即ち、カバー４５から露出している部分は、ステップ３８及びステップ３８に設けた制御盤３９、更にフレーム３２を構成するガーター３２ｂのステップ３８が取り付けられる端部、となっており、他の部分は全てカバー４５に覆われている。

カバー４５は、天面４５ａ、正面４５ｂ、裏面４５ｃ、側面４５ｄを有して構成されている。カバー４５を構成する正面４５ｂと裏面４５ｃは天面４５ａから下方に向けて互いに離隔するように傾斜しており、該傾斜の下端部分に略垂直なスカート部４５ｅが形成されている。このため、カバー４５は、正面視が略長方形に、側面視が略台形状に、形成されており、正面４５ｂ側にレーザトーチ１２が配置された構成となっている。

またカバー４５を構成する正面４５ｂと裏面４５ｃのスカート部４５ｅと側面４５ｄの下端部分には、夫々接触部４５ｆが形成されている。従って、接触部４５ｆはカバー４５の下端部分の全周を取り巻いて構成されている。接触部４５ｆは被切断材４の表面に接触して反射光３７の漏洩を防ぐものであり、消耗したときには適宜交換し得るように構成されている。

正面４５ｂの傾斜面には、二つの開閉扉４６ａ、４６ｂがスライド可能に設けられており、これらの開閉扉４６ａ、４６ｂを開放することによって、カバー４５の内部空間を開放して保守点検作業を含む必要な諸作業を行うことが可能なように構成されている。尚、開閉扉４６ａ、４６ｂには、夫々内部を視認し得るように緑色に着色した透明ガラスを装着した窓が形成されている。

カバー４５の内部空間の大きさは特に限定するものではないが、保守点検時に作業員が内部空間に入り込んで作業を行える程度の広さであることが必要である。特に、カバー４５を構成する正面４５ｂのスカート部４５ｅからレーザトーチ１２までの距離は、切断定盤４１の底部で反射したレーザビームの反射光（３７）が漏洩することがないような寸法を有している。

切断定盤４１は一対のレール３１の間に設けられており、被切断材４から発生した溶融物が落下して収容される大型の箱状の容器（図示せず）を有している。そして、前記容器の上部に複数の差し板４２を起立させることで、該差し板４２の上部に被切断材４を載置し得るように構成されている。従って、差し板４２は容器の底部まで到達しているものではなく、該容器の上方に並列していることになる。

このため、レーザトーチ１２のノズル３から照射され、被切断材４の表面にリングビーム１を形成したレーザビームが、例えば被切断材４に形成されている切溝を通して切断定盤４１を構成する容器の底部に照射されたとき、反射光は隣接する差し板４２の下方の空間を通過して上方へと反射することになる。従って、カバー４５の正面４５ｂに於けるスカート部４５ｅとレーザトーチ１２との距離は、前記反射光が漏洩することのない寸法を有することが必要である。

例えば、レーザトーチ１２のノズル３から被切断材４に向けて照射され、該被切断材４の表面にリングビーム１を形成するレーザビームの広がり角度を２θとし、切断定盤４１の差し板４２の上端面から底部までの高さをＨとしたとき、底部で反射したレーザビームの反射光が差し板４２の上端面に到達した位置はレーザトーチ１２の軸心５から略２×Ｈ× tanθ離隔することになる。従って、カバー４５の正面４５ｂのスカート部４５ｅからレーザトーチ１２までの距離は、２×Ｈ× tanθよりも大きければ、反射光のカバー４５からの漏洩を防ぐことが可能となる。

本発明に係るレーザ切断装置は、従来のガス切断装置によって切断されていた鋼板の切断に利用して有利である。

１ リングビーム
１ａ 内径
１ｂ 外径
２ 酸素ガス
３ ノズル
３ａ 孔
４ 被切断材
５ 軸
１１ レーザ発振器
１２ レーザトーチ
１２ａ 室
１２ｂ 本体部
１２ｃ レンズユニット部
１２ｄ ノズルユニット部
１３ 円錐プリズム
１４ 凸レンズ
１５ 光ファイバ
１５ａ 保護チューブ
１６ 光学系
１７ 酸素ガス供給系
１７ａ ホース
１７ｂ ニップル
１８ カップリング
１８ａ、１８ｂ 凸レンズ
１９ 光学系
１９ａ 凹レンズ
１９ｂ 凸レンズ
２０ ダイクロイックミラー
２１ 監視系
２１ａ 光軸
２２ ＣＣＤカメラ
２３ ミラー
２４ レンズユニット
２５ 調整リング
２８ 冷却水通路
２９ 給排水口
３１ レール
３２ フレーム
３２ａ サドル
３２ｂ ガーター
３２ｃ 走行モーター
３２ｄ 横行レール
３３ 横行キャリッジ
３３ａ 横行モーター
３３ｂ 昇降ブラケット
３３ｃ 昇降モーター
３４ トーチブラケット
３５ ケーブルベア（登録商標）
３６ カバー
３７ 反射光
３６ａ 取付部
３６ｂ テーパ部
３６ｃ スカート部
３６ｄ 接触部
３８ ステップ
３９ 制御盤
３９ａ 出力部
３９ｂ 入力部
４１ 切断定盤
４２ 差し板
４５ カバー
４５ａ 天面
４５ｂ 正面
４５ｃ 裏面
４５ｄ 側面
４５ｅ スカート部
４５ｆ 接触部
４６ａ、４６ｂ 開閉扉

Claims (2)

1. レールに沿って走行可能に構成された走行台車と、
   前記走行台車に搭載され該走行台車の走行方向とは直交する方向に横行可能に構成された横行台車と、
   前記横行台車に搭載された固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器と、
   前記横行台車に搭載され被切断材の表面と対向して配置されたノズルを有するレーザトーチと、
   前記固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器から前記レーザトーチのノズルの間に構成された光学系と、
   前記レーザトーチに接続された酸素ガス供給系と、を有し、
   前記固体レーザ発振器又はファイバレーザ発振器から出射されたレーザビームを前記光学系を介してリング状のビームに形成して前記レーザトーチのノズルから被切断材に向けて照射すると共に前記酸素ガス供給系から供給された酸素ガスを前記レーザトーチのノズルから被切断材に向けて噴射することで被切断材を切断するように構成したことを特徴とするレーザ切断装置。
2. 前記光学系は、少なくとも円錐プリズムと凸レンズと光ファイバを有することを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断装置。

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