JP5866672B2

JP5866672B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP5866672B2
Application number: JP2014009816A
Authority: JP
Inventors: 幸平久田; 篤史川喜田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-01-22
Filing date: 2014-01-22
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2034-01-22
Also published as: EP3096918A1; US10144089B2; US20160318125A1; WO2015110887A1; EP3096918B1; JP2015136714A

Description

本発明は、ワークに対してレーザ光を照射して、ワークの切断や溶接等のレーザ加工を行うためのレーザ加工装置に関する。

従来、ワークに対してレーザ光を照射して、ワークの切断や溶接等のレーザ加工を行うためのレーザ加工装置が知られている。
前記レーザ加工装置としては、光ファイバからのレーザ光が入射されるとともに、前記レーザ光を集光する集光レンズ等の光学系が収容されるヘッド本体部と、前記レーザ光をワークに対して照射するノズル部とを有する加工ヘッドを備えたものがある。前記光学系のノズル部側には、レーザ加工時に発生するスパッタ等から前記光学系を保護する保護ガラスが配置されている。また、前記ノズル部内には、エアまたはアシストガスが供給されており、前記エアまたはアシストガスを前記ノズル部から噴射することで、レーザ照射により発生するスパッタやヒューム等をレーザ照射部から排除するように構成されている。
このように、加工ヘッドのヘッド本体部内の光学系を保護する保護ガラスを有し、ノズル部内にエアまたはアシストガスが供給されるレーザ加工装置は、例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１に記載されるレーザ加工装置においては、加工ヘッド２７は、ブローノズル５２（ノズル部）上に保護部材７５（保護ガラス）が設置された状態で、ブローノズル５２とレンズホルダー５１（ヘッド本体部）とをねじにて締結することにより構成されており、レンズホルダー５１とブローノズル５２との間に保護ガラスが配置されている。
また、ブローノズル５２にエアの供給流路７２が形成されており、供給流路７２を通じてブローノズル５２のノズル孔７３にエアを供給し、供給されたエアをノズル孔７３からレーザ加工点に向けて噴出するように構成されている。

加工ヘッド２７においては、レンズホルダー５１の先端部がブローノズル５２に形成される収容空間に収容されており、ブローノズル５２における収容空間の内周面とレンズホルダー５１の外周面との間には、全周にわたって内部流路７１を構成する間隙が形成されている。内部流路７１は供給流路７２およびノズル孔７３と連通しており、供給流路７２に供給されたエアは、内部流路７１を通じてノズル孔７３からレーザ加工点に向けて噴射される。この場合、供給流路７２に供給されたエアは、内部流路７１からノズル孔７３へ流入する際に、保護部材７５の下面に沿って流れることで、保護部材７５を洗浄している。

しかし、加工ヘッド２７においては、保護部材７５とレンズホルダー５１との間がシールされておらず、レンズホルダー５１内の気密性を確保することができないため、レーザ照射により発生するスパッタやヒューム等が、保護部材７５とレンズホルダー５１との間からレンズホルダー５１内に侵入するおそれがあり、レンズホルダー５１内を清浄に保つことが困難である。
また、ブローノズル５２はレンズホルダー５１に対してねじ締結により接合されているが、加工ヘッド２７の稼働中における振動等によりねじ締結部が緩んで、保護部材７５とレンズホルダー５１との間の気密性がさらに損なわれるおそれがある。

特開２０１２−２４８３１号公報

そこで、本発明においては、ヘッド本体部とノズル部とがねじ締結された加工ヘッドにおける、前記ヘッド本体部と保護ガラスとを確実にシールして、ヘッド本体部内の気密性を保持することができるレーザ加工装置を提供するものである。

上記課題を解決するレーザ加工装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、レーザ光が入射されるとともに、入射された前記レーザ光を集光する光学系が収容されるヘッド本体部と、前記ヘッド本体部に対してねじにより締結され、前記レーザ光をワークに対して照射するノズル部とを備え、前記ノズル部には、前記レーザ光が通過するノズル孔が形成され、前記ヘッド本体部には、前記ノズル孔に連通する開口部が形成され、前記ヘッド本体部とノズル部との間に、前記開口部を閉塞する保護部材が介装されたレーザ加工装置であって、前記ヘッド本体部とノズル部との間には、前記ヘッド本体部における前記ねじによる締結方向と交差する面と、前記ノズル部における前記ねじによる締結方向と交差する面とで囲まれる空間であり、エアまたはアシストガスが供給される圧力室が形成され、前記ノズル部には、前記圧力室と前記ノズル孔とを連通する連通孔が形成される。

また、請求項２記載の如く、前記圧力室は、前記ノズル部の前記ヘッド本体部側の端面における、前記ノズル孔の外周部に形成される円環状の凹溝と、前記ヘッド本体部における前記ノズル部側の端面とで囲まれる空間により形成され、前記連通孔は、前記凹溝の底面と、前記ノズル孔の内周面との間に形成される。

また、請求項３記載の如く、前記ヘッド本体部には、前記圧力室にエアまたはアシストガスを供給するための供給流路が形成される。

また、請求項４記載の如く、前記供給流路は、前記ヘッド本体部に穿設され、前記圧力室内の前記ヘッド本体部における前記ノズル部と対向する側の端面に開口する供給孔により構成され、前記供給孔は、前記ねじによる締結方向視において、前記連通孔と位相がずれた位置に配置されている。

本発明によれば、加工ヘッドにおけるヘッド本体部内の気密性を保持することができる。

レーザ照射装置を示す側面図である。加工ヘッドのノズル部側部分を示す側面断面図である。ノズル部を示す平面図である。ノズル部を示す側面断面図である。ヘッド本体部を示す底面図である。ヘッド本体部を示す側面断面図である。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１に示すレーザ照射装置１は、ワークＷに対してレーザ光を照射して、ワークＷの切断や溶接等のレーザ加工を行うための装置であり、レーザ発振器（不図示）にて生成されたレーザ光を伝送する光ファイバ４と、光ファイバ４により伝送されたレーザ光が入射されるとともに、入射されたレーザ光をワークＷに対して照射する加工ヘッド２とを備えている。

加工ヘッド２は、光ファイバ４から入射されたレーザ光を平行光にする入射側レンズ５１、および前記平行光を集光する出射側レンズ５２等を含む光学系を収容するヘッド本体部２０と、出射側レンズ５２により集光されたレーザ光をワークＷに対して照射するノズル部３０とを有している。

ヘッド本体部２０は、例えば円筒状に形成されており、軸方向の一端部に光ファイバ４が接続され、他端部にノズル部３０が接続されている。
ヘッド本体部２０には、入射側レンズ５１および出射側レンズ５２等の前記光学系を収容する収容空間２１、ならびに収容空間２１をヘッド本体部２０のノズル部３０側に開口する開口部２２が形成されている。

ノズル部３０は、例えば円筒状に形成されており、その先端部が先端側へいくに従って縮径するテーパ形状に形成されている。ノズル部３０には、軸方向に貫通するノズル孔３１が形成されている。
ノズル部３０は、ねじにより締結されることでヘッド本体部２０に接続されており、ヘッド本体部２０とノズル部３０との間には保護ガラス６１が介装されている。保護ガラス６１は、例えばレーザ光を透過可能なガラス部材にて構成されている。

このように構成されるレーザ加工装置１においては、光ファイバ４からのレーザ光がヘッド本体部２０の収容空間２１に入射されると、前記レーザ光が入射側レンズ５１により平行光にされ、さらに出射側レンズ５２により集光された後に保護ガラス６１を透過し、ノズル部３０のノズル孔３１を通じて、ワークＷに照射される。

次に、ノズル部３０およびヘッド本体部２０について詳しく説明する。
図２〜図４に示すように、ノズル部３０のヘッド本体部２０側の端面における中央部には、ノズル孔３１よりも大径の円形状に形成される嵌装溝３２が形成されている。嵌装溝３２の内径は、円板形状に形成される保護ガラス６１の外径と同径または若干大きな径に形成されており、嵌装溝３２に保護ガラス６１を嵌装可能となっている。また、嵌装溝３２の深さ寸法は、保護ガラス６１の厚み寸法と同じか若干大きく形成されている。

ノズル部３０のヘッド本体部２０側の端面における嵌装溝３２の外周部には、円環状の凹溝３４が形成されている。凹溝３４は、平面視において、ノズル孔３１の外周部に位置している。
ノズル部３０には、凹溝３４とノズル孔３１とを連通する連通孔３５が形成されている。連通孔３５の一端は、凹溝３４の底面３４ａに開口する円形状の開口部３５ａであり、連通孔３５の他端は、ノズル孔３１の内周面に開口する円形状の開口部３５ｂである。開口部３５ａは、凹溝３４の底面３４ａにおける外周側端部に配置され、開口部３５ｂは、ノズル孔３１の内周面における上端部に配置されている。

連通孔３５は、本実施形態においては４箇所に設けられており、各連通孔３５は、互いに底面３４ａの周方向に位相をずらして等間隔に配置されている。
連通孔３５の開口部３５ａの径は、凹溝３４の底面３４ａの幅寸法（ノズル部３０における径方向の寸法）よりも小さく形成されており、全ての連通孔３５における開口部３５ａの面積の合計は、凹溝３４の底面３４ａの面積に比べて極小さな面積となっている。

ノズル部３０におけるヘッド本体部２０側端部の外周面には、雄ねじ３３が形成されており、雄ねじ３３がヘッド本体部２０に締結されることにより、ノズル部３０がヘッド本体部２０に対して接続される。

図２、図５、図６に示すように、ヘッド本体部２０のノズル部３０側の端面における中央部には、開口部２２よりも大径の円形状に形成される嵌合溝２３が形成されている。嵌合溝２３の内径は、雄ねじ３３が形成されるノズル部３０のヘッド本体部２０側端部の外径と略同じ寸法に形成されており、嵌合溝２３の内周面には、雌ねじ２３ａが形成されている。
ヘッド本体部２０の雌ねじ２３ａとノズル部３０の雄ねじ３３とは螺合可能に構成されており、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを螺合することで、ヘッド本体部２０の嵌合溝２３にノズル部３０のヘッド本体部２０側端部が嵌合して、ヘッド本体部２０とノズル部３０とが、ねじにより締結されることとなる。この場合、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とによるねじの締結方向は、ヘッド本体部２０およびノズル部３０の軸方向となる。つまり、ヘッド本体部２０とノズル部３０との締結方向は、前記軸方向となる。

嵌合溝２３の底面２３ｂにおける、開口部２２の外周近傍には、円環状のシール溝２４が形成されている。シール溝２４には、Ｏ−リング等のシール部材７１が嵌装可能となっている。
ヘッド本体部２０には、嵌合溝２３とヘッド本体部２０の外周とを連通する供給孔２５が形成されている。供給孔２５の一端は、ヘッド本体部２０の外周面に開口する円形状の開口部２５ａであり、供給孔２５の他端は、嵌合溝２３の底面２３ｂに開口する円形状の開口部２５ｂである。

開口部２５ｂは、嵌合溝２３の底面２３ｂにおける外周側端部に配置されており、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した状態では、ノズル部３０の凹溝３４が形成されている箇所に対応する箇所に位置している。
また、開口部２５ｂは、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した状態では、平面視（ヘッド本体部２０とノズル部３０との締結方向視）において、ノズル部３０の連通孔３５と位相がずれた位置に配置されるように構成されている。

ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した状態においては、ヘッド本体部２０とノズル部３０との間に、ノズル部３０の凹溝３４（詳しくは、凹溝３４の底面３４ａ、内周側の側面、および外周側の側面）とヘッド本体部２０における嵌合溝２３の底面２３ｂとで囲まれる空間が形成され、当該空間を圧力室３６として構成している。
前述のヘッド本体部２０に形成される供給孔２５の開口部２５ａは、嵌合溝２３の底面２３ｂにおける圧力室３６を構成している部分に開口している。
なお、圧力室３６における嵌合溝２３の底面２３ｂ、および凹溝３４の底面３４ａは、ヘッド本体部２０とノズル部３０との締結方向と交差する面であり、さらには、前記締結方向と直交する面である。

このように構成されるノズル部３０およびヘッド本体部２０を、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを螺合して締結する際には、ノズル部３０の嵌装溝３２に保護ガラス６１を嵌装した状態で、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを螺合する。

ヘッド本体部２０の開口部２２とノズル部３０のノズル孔３１とは、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した状態において、互いに連通する位置に形成されているが、開口部２２とノズル孔３１とは、ヘッド本体部２０とノズル部３０との間に介在する保護ガラス６１により分断されている。つまり、ヘッド本体部２０の開口部２２が保護ガラス６１により閉塞されている。
また、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した状態では、シール溝２４に嵌合されたシール部材７１が保護ガラス６１の周縁部に圧接し、ヘッド本体部２０の開口部２２と保護ガラス６１との間をシールしている。

このように、保護ガラス６１によりヘッド本体部２０の開口部２２を閉塞するとともに、シール部材７１により開口部２２と保護ガラス６１との間をシールしているので、ノズル部３０からワークＷへレーザ光を照射した際に発生するスパッタやヒューム等が、ノズル孔３１から開口部２２を通じてヘッド本体部２０の内部に侵入することを防止することが可能となっている。これにより、ヘッド本体部２０内の前記光学系を清浄に保つことができる。

また、ヘッド本体部２０とノズル部３０との間に介在する保護ガラス６１におけるノズル部３０側の面は、ワークＷへのレーザ光の照射により発生するスパッタやヒューム等が付着して汚れるため、定期的に保護ガラス６１を交換する必要がある。
レーザ照射装置１においては、保護ガラス６１をヘッド本体部２０とノズル部３０との間に介装するとともに、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを螺合させることにより締結しているので、保護ガラス６１を交換する際には、ヘッド本体部２０とノズル部３０とのねじによる締結を解除してノズル部３０をヘッド本体部２０から取り外すだけで、ノズル部３０の嵌装溝３２に嵌装されている保護ガラス６１を取り出すことができ、保護ガラス６１の交換作業が容易となっている。

また、ノズル部３０からワークＷに対してレーザ光が照射されるレーザ照射装置１の稼働時には、供給孔２５の開口部２５ａにエアまたは不活性ガスからなるアシストガスが圧送される。開口部２５ａに圧送されたエアまたはアシストガスは、供給孔２５を通じて圧力室３６に供給される。さらに、圧力室３６に供給されたエアまたはアシストガスは、連通孔３５を通じてノズル孔３１に供給され、ノズル孔３１の先端部からワークＷ側へ向かって流出する。
このように、ノズル孔３１の先端部から流出するエアまたはアシストガスは、ワークＷに対してレーザ光を照射した際に発生するスパッタやヒューム等を排除する。

ここで、連通孔３５を通じてエアまたはアシストガスが供給されるノズル孔３１内は、当該エアまたはアシストガスが充満して陽圧となる。そして、このノズル孔３１内に充満するエアまたはアシストガスにより、保護ガラス６１がヘッド本体部２０側に押圧され、保護ガラス６１と開口部２２との間がより強固にシールされることとなる。これにより、ヘッド本体部２０内の気密性が向上して、より確実に光学系の清浄状態を保持することが可能となっている。

また、供給孔２５を通じてエアまたはアシストガスが供給される圧力室３６内は、当該エアまたはアシストガスが充満して陽圧となる。いいかえれば、圧力室３６には、圧力室３６内が陽圧となるだけのエアまたはアシストガスが供給孔２５を通じて供給されている。
この圧力室３６内に充満するエアまたはアシストガスにより、ヘッド本体部２０における嵌合溝２３の底面２３ｂおよびノズル部３０における凹溝３４の底面３４ａは、底面２３ｂと底面３４ａとが互いに離間する方向に押圧されることとなる。つまり、底面２３ｂおよび底面３４ａには、圧力室３６内のエアまたはアシストガスにより、ヘッド本体部２０とノズル部３０との締結方向の力がかかる。
これにより、互いに螺合する雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との間に、前記締結方向の軸力が加わり、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との締結状態がより強固となる。
従って、例えばレーザ照射装置１の稼働中に加工ヘッド２７に振動が加わった場合でも、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との締結状態が緩むことがなく、保護ガラス６１と開口部２２との間のシール状態が低下することもないので、ヘッド本体部２０内の気密性を保持することができる。

また、ヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した際に、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との締結状態が緩んでいたとしても、前述のように圧力室３６内のエアまたはアシストガスにより雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との間に軸力を加えて、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との締結状態を強固にすることができるため、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを必要以上に強固に螺合させる必要がなく、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３と締めすぎて、雌ねじ２３ａおよび雄ねじ３３を破損させることがない。

特に、圧力室３６とノズル孔３１とを連通する連通孔３５の開口部３５ａの面積は、開口部３５ａが開口する凹溝３４の底面３４ａの面積に対して極小さく形成されているため、圧力室３６からノズル孔３１に流出するエアまたはアシストガスの流量は、圧力室３６内に充満しているエアまたはアシストガスの体積に比べて僅かであり、圧力室３６内は高圧に保たれることとなる。
従って、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３との間にかかる締結方向の軸力を大きくすることができ、ヘッド本体部２０とノズル部３０との締結状態をより確実に保持することが可能となっている。

また、供給孔２５の開口部２５ｂと連通孔３５の開口部３５ａとは、前記締結方向からみた場合に、互いに位相が異なる位置に配置されているので、供給孔２５の開口部２５ｂから圧力室３６内に供給されたエアまたはアシストガスが、圧力室３６内を流動せずに直接連通孔３５の開口部３５ａからノズル孔３１へ流出することがない。
従って、供給孔２５の開口部２５ｂから供給されたエアまたはアシストガスが圧力室３６内に留まり易くなっており、圧力室３６内を高圧に保持することが可能となっている。

また、例えば、加工ヘッド２に対してエアまたはアシストガスを供給するための供給流路をノズル部３０に形成した場合、エアまたはアシストガスの供給源と前記供給流路とを接続する配管が、ノズル部３０に接続されることとなる。
このように、エアまたはアシストガスの供給用の配管がノズル部３０に接続されていると、前記配管が、ノズル部３０をヘッド本体部２０から取り外す際に邪魔になって、ノズル部３０の取り外し作業が煩雑になる。
しかし、本実施形態においては、加工ヘッド２に対して供給されるエアまたはアシストガスの供給流路として、ヘッド本体部２０に形成される供給孔２５を用いているため、前記配管はヘッド本体部２０に接続されている。
従って、ノズル部３０をヘッド本体部２０から取り外す際に、前記配管が邪魔になることがなく、ノズル部の取外作業を容易に行うことが可能となっている。

なお、保護ガラス６１が嵌装される嵌装溝３２の深さ寸法は、保護ガラス６１の厚み寸法よりも大きくすることが好ましい。
このように、嵌装溝３２の深さ寸法を保護ガラス６１の厚み寸法よりも大きく形成することで、雌ねじ２３ａと雄ねじ３３とを螺合してヘッド本体部２０とノズル部３０とを締結した際に、保護ガラス６１が嵌合溝２３の底面２３ｂに干渉することがなく、保護ガラス６１が破損することを防止できる。

１レーザ加工装置
２加工ヘッド
４光ファイバ
２０ヘッド本体部
２１収容空間
２２開口部
２３嵌合溝
２３ａ雌ねじ
２３ｂ底面
２４シール溝
２５供給孔
３０ノズル部
３１ノズル孔
３２嵌装溝
３３雄ねじ
３４凹溝
３４ａ底面
３５連通孔
３６圧力室
５１入射側レンズ
５２出射側レンズ
６１保護ガラス
７１シール部材
Ｗワーク

Claims

レーザ光が入射されるとともに、入射された前記レーザ光を集光する光学系が収容されるヘッド本体部と、前記ヘッド本体部に対してねじにより締結され、前記レーザ光をワークに対して照射するノズル部とを備え、
前記ノズル部には、前記レーザ光が通過するノズル孔が形成され、
前記ヘッド本体部には、前記ノズル孔に連通する開口部が形成され、
前記ヘッド本体部とノズル部との間に、前記開口部を閉塞する保護部材が介装されたレーザ加工装置であって、
前記ヘッド本体部とノズル部との間には、前記ヘッド本体部における前記ねじによる締結方向と交差する面と、前記ノズル部における前記ねじによる締結方向と交差する面とで囲まれる空間であり、エアまたはアシストガスが供給される圧力室が形成され、
前記ノズル部には、前記圧力室と前記ノズル孔とを連通する連通孔が形成される、
ことを特徴とするレーザ加工装置。
前記圧力室は、前記ノズル部の前記ヘッド本体部側の端面における、前記ノズル孔の外周部に形成される円環状の凹溝と、前記ヘッド本体部における前記ノズル部側の端面とで囲まれる空間により形成され、
前記連通孔は、前記凹溝の底面と、前記ノズル孔の内周面との間に形成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記ヘッド本体部には、前記圧力室にエアまたはアシストガスを供給するための供給流路が形成される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工装置。
前記供給流路は、
前記ヘッド本体部に穿設され、前記圧力室内の前記ヘッド本体部における前記ノズル部と対向する側の端面に開口する供給孔により構成され、
前記供給孔は、前記ねじによる締結方向視において、前記連通孔と位相がずれた位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。