JP6159583B2 - 保護ガラスの保護方法及びレーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに備えられた保護ガラスを、レーザ加工時に生じたヒュームによる汚染から保護する方法及びレーザ加工ヘッドに関する。さらに詳細には、保護ガラスの一側面に沿って保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成して、レーザ加工によって生じたヒュームが保護ガラスに接触することを防止して保護ガラスを保護する方法及びレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工機におけるレーザ加工ヘッド内には集光レンズが備えられており、ワークのレーザ加工時に生じたヒューム、スパッタによって集光レンズが汚染されることがある。そこで、前記集光レンズを保護するために、レーザ加工ヘッド内には保護ガラスが備えられている。上記構成においては、保護ガラスによって集光レンズの保護を図ることができるものの、保護ガラスが汚染されることになる。したがって、レーザ加工時に発生したヒュームやスパッタが保護ガラスに付着することを防止するために、ヒュームやスパッタを高速エアによって吹き飛ばす構成などが採用されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２０００−２６３２７６号公報 特開２００７−２１５０５号公報

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ加工ヘッドに備えた保護ガラスの下面に沿って高速エアーをエアー吹き出しノズルから噴射し、レーザ加工時に生じたヒュームやスパッタを前記高速エアーによって吹き飛ばそうとするものである。前記エアー吹き出しノズルから噴射された高速エアーは乱流であるため、ヒュームを巻き込んで吹き飛ばすことになるが、乱流であるために、巻き込まれたヒュームの一部が保護ガラスに接触することがある。したがって、高速エアーに対する保護ガラスの下流側が汚染されることがある。

なお、高速エアーの流れを、ヒュームを巻き込むことのない整流の流れにした場合、レーザ加工位置から高速で飛散するスパッタを吹き飛ばす流速が得られず、スパッタから保護ガラスを保護することが難しくなる、という問題がある。

引用文献２に記載の構成は、保護ガラスの下方外周から第１のエアーブローを噴射すると共に、保護ガラスの下方に備えたノズル内周面に沿って第２のエアーブローを噴射し、第１，第２のエアーブローを、ノズルの開口部を通過した後に収束しようとするものである。

前記構成においては、第１，第２のエアーブローが乱流となることなく流れるとすると、高速で飛散するスパッタの除去は難しいものである。また、前記構成においては、第１のエアーブローは、保護ガラスに対して斜め下方から噴射され、その後に下方向への流れに変換されるものであるから、ノズル内部に第１のエアーブローの吹き出し部へ戻る傾向の流れを生じたり、乱流が生じる傾向にある。

したがって、レーザ加工時に生じたヒュームの一部が乱流に巻き込まれ、保護ガラスの下面に付着することがある、という問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッドに備えられた集光レンズとレーザーノズルとの間に備えられた保護ガラスの保護方法であって、前記保護ガラスの前記レーザーノズル側の一側面に沿って、当該保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成し、レーザ加工によって生じたヒュームが前記保護ガラスに接触することを防止して前記ヒュームから前記保護ガラスを保護するに際し、前記保護ガスの整流は複数層の線状に形成してあることを特徴とするものである。

また、前記保護ガラスの保護方法において、前記保護ガラスと前記レーザーノズルとの間であって前記保護ガラスから離反した位置において、レーザ加工ヘッドの軸心に対して交差する方向への保護ガスの高速流を形成し、レーザ加工によって生じたスパッタ、ヒュームを前記高速流によって吹き飛ばして前記ヒューム、スパッタから前記保護ガラスを保護することを特徴とするものである。

また、内部に集光レンズを備えると共に先端部にレーザーノズルを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズとレーザーノズルとの間に保護ガラスを備え、当該保護ガラスの前記レーザーノズル側の一側面に沿って当該保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成するための保護ガス整流手段を備え、前記保護ガス整流手段は、前記保護ガラスの前記一側面に接触した環状の多孔質部材を備え、この多孔質部材の外側に、保護ガスが旋回可能な環状の旋回流路を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラス、多孔質部材及び前記旋回流路は、レーザ加工ヘッドにおける加工ヘッド本体と当該加工ヘッド本体に備えられたエアー供給ブロックとの間に備えられており、前記エアー供給ブロックに、保護ガスの旋回流を生起するための環状の旋回流生起流路を備え、この旋回流生起流路と前記旋回流路は、前記旋回流路に沿って形成された長孔によって連通してあることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記加工ヘッド本体と前記エアー供給ブロックとの間に保護ガラスホルダを着脱可能に備え、この保護ガラスホルダに、前記保護ガラス、多孔質部材及び前記旋回流路が備えられていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工によって生じたヒューム、スパッタを前記エアー供給ブロック外へ吹き飛ばすために、保護ガスをレーザ加工ヘッドの軸心に対して交差する方向へ高速で噴出する高速噴出口を前記エアー供給ブロックに備え、この高速噴出口の近傍に、外気を吸引する外気吸引口を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドに備えられた保護ガラスのレーザーノズル側の一側面に沿って周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成するものであるから、レーザ加工によって発生したヒュームが保護ガスの流れに巻き込まれることが抑制される。したがって、ヒュームが保護ガラスに接触するようなことがなく、ヒュームによる汚染から保護ガラスを保護することができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した断面説明図である。 保護ガラスホルダの構成を示す断面説明図である。 保護ガラスホルダにおける旋回流路、保護ガス整流手段による整流作用を示す平面説明図である。 エアー供給ブロックにおける旋回流生起流路の構成を示す平面説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成について説明するに、図１に概念的、概略的に示すように、レーザ加工ヘッド１は、例えば産業用ロボットにおけるロボットハンドなどのキャリッジ（図示省略）に装着されてＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動自在のヘッドハウジング３を備えている。上記ヘッドハウジング３内には、レーザ発振器において発振されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ５が備えられている。

前記ヘッドハウジング３の先端側（図１において下側）には、レーザ光ＬＢが透過自在な貫通穴７Ｈを中央部に備えた加工ヘッド本体７がボルト等の取付具（図示省略）を介して着脱可能に装着してある。この加工ヘッド本体７の先端側には、エアー供給ブロック９が適宜の取付具を介して着脱可能に取付けてある。そして、このエアー供給ブロック９の先端側にはレーザノズル１１が着脱可能に取付けてある。

前記加工ヘッド本体７の先端面、すなわち前記エアー供給ブロック９を取付けた取付面（装着面）には、前記エアー供給ブロック９側及び一側面側を開放した係合凹部１３が備えられている。この係合凹部１３には、保護ガラス１５を備えた保護ガラスホルダ１７が着脱可能に備えられている。前記保護ガラスホルダ１７は厚板のブロック状に形成してあって、平面視したときの外形形状は四角形状に形成してある。この保護ガラスホルダ１７の一側面には、前記係合凹部１３に対して保護ガラス１７を着脱する際の把持部１９（図２参照）が備えられている。

図２に示すように、前記保護ガラスホルダ１７の上面には前記保護ガラス１５を着脱可能に備えた環状の保護ガラス保持部２１が形成してある。そして、前記保護ガラス１５を固定するために、前記保護ガラス保持部２１内には、例えばＯリングやスナップリング等のごとき適宜の部材から構成された環状のガラス押え２３が備えられている。前記保護ガラスホルダ１７の下側であって前記保護ガラス１５の下面に対応した位置には、保護ガスが旋回可能な環状の旋回流路２５が形成してある。

前記保護ガスは、レーザ加工時に生じたヒュームによって前記保護ガラス１５が汚染されることを防止する作用をなすものである。すなわち、保護ガスは、ヒュームから保護ガラス１５を保護する作用をなすものである。前記旋回流路２５の内周縁には、前記保護ガラス１５側へ突出した環状の突出部２７が備えられており、この環状の突出部２７の外周部には、前記旋回流路２５から中心方向へ流れる保護ガスを整流にするための保護ガス整流手段２９が備えられている。

前記保護ガス整流手段２９は、例えば網目の小さな金網を複重の円筒形状に構成したものであって、当該保護ガス整流手段２９の上端縁は、前記保護ガラス１５の一側面である下面に当接接触してある。なお、前記保護ガス整流手段２９の構成としては、金網に限ることなく、例えばスポンジ、焼結金属、焼結樹脂、グラスウールなどの多孔質部材（金網も含まれる）を環状に形成した構成であってもよいものである。

上記構成により、前記旋回流路２５から前記保護ガス整流手段２９を通過して中心方向に向かう保護ガスの流れは線状の流れに整流されるものである。この際、線状の保護ガスの流れは、前記保護ガス整流手段２９の上下方向の幅寸法に対応して複重（複層）の流れに形成されるものである。

前記エアー供給ブロック９の中央部にはレーザ光ＬＢが透過自在な貫通穴９Ｈが形成してある。そして、上面であって前記加工ヘッド本体７に備えた前記旋回流路２５に対応した位置には、当該旋回流路２５の径とほぼ同径の環状の旋回流生起流路３１が形成してある。上記旋回流生起流路３１内に保護ガスの旋回流を生起させるために、保護ガスとしてのエアー供給源（図示省略）に接続したエアー供給路３３（図４参照）が接線方向に接続してある。したがって、前記エアー供給路３３から旋回流生起流路３１内へ供給されたエアーは旋回流となるものである。

前記旋回流生起流路３１内において生起されたエアーの旋回流を前記旋回流路２５に導くために、前記旋回流路２５の底部の複数箇所には、前記旋回流生起流路３１に連通した円弧状の長孔３５が旋回流路２５に沿って形成してある。したがって、前記旋回流生起流路３１内へエアーを供給して旋回流が生じると、前記長孔３５から旋回流路２５内にエアーの旋回流が移動されるものである。

前記エアー供給ブロック９の先端側、すなわち前記保護ガラス１５から離反した位置には、レーザ加工ヘッド１の軸心すなわちレーザ光ＬＢの軸心に対して直交する方向へ保護ガス（エアー）を高速で噴出する高速噴出口３５（図１参照）が備えられている。この高速噴出口３５の開口はレーザ光ＬＢの軸心に対して直交する方向に偏平状の開口に形成してある。したがって、前記高速噴出口３５から噴出されたエアーは、レーザ光ＬＢの軸心に対して直交する偏平状の高速流のエアーカーテンを形成することになる。

前記高速噴出口３５に近接した位置であって下側には、当該高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流に誘引されて大量の外気を吸引するための外気吸引口３７が形成してある。そして、前記高速噴出口３５に対向して前記エアー供給ブロック９には、大きなエアー排出口３９が備えられている。したがって、前記高速噴出口３５からエアーを高速で噴出すると、この高速のエアーの流れに誘引されて、外気吸引口３７から多量の外気が吸引され、対向した位置のエアー排出口３９から外部へ排出されることになる。

よって、レーザ加工位置から飛散してレーザ加工ヘッド１内に進入したスパッタやヒュームは、前記高速噴出口３５から噴出されるエアーの高速流によって外部へ排出されることになる。なお、前記高速噴出口３５は、当該高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流が前記保護ガラス１５の下面に沿って流れている保護ガスの整流を乱すことのないように、適宜に離反した位置に備えられるものである。

なお、前記レーザ加工ヘッド１には、前記レーザ光ＬＢによってワークＷにレーザ加工を行うとき、レーザ加工位置へ例えば窒素ガスなどの不活性ガスを噴出供給するためのシールドガスノズル４１が備えられている。

以上のごとき構成において、集光レンズ５によって集光されたレーザ光ＬＢをワークＷへ照射してレーザ加工を行うと、レーザ加工位置からヒュームが発生すると共にスパッタが飛散される。レーザ加工時に発生したヒューム及びスパッタの一部はレーザ加工ヘッド１内に進入して保護ガラス１５を汚染する傾向にある。しかし、レーザ加工ヘッド１内へ進入したヒューム及びスパッタの大部分は、前記高速噴出口３５から噴出されるエアーの高速流及び外気吸引口３７から吸引された多量の外気によってエアー排出口３９から外部へ排出されることになる。

前記高速噴出口３５から噴出されたエアーの高速流は乱流であるので、ヒュームの一部は保護ガラス１５方向へ流れることがある。しかし、前記保護ガラス１５の下側には、保護ガスとしてのエアーが回転して流れる旋回流路２５が備えられており、この旋回流路２５から保護ガス整流手段２９によって整流されたエアーが複数層の線状の流れを形成して中心方向へ流れている。したがって、前記保護ガラス１５の下面に近接したヒュームは、保護ガスによって中心方向へ流され、中央部において下方向へ流され、エアー排出口３９の上部から外部へ流出されることになる。よって、ヒュームが保護ガラス１５の下面に接触することが防止されるものである。

前述したように、前記旋回流路２５内においてはエアーが回転（旋回）しているものであるから、旋回流路２５内においては円周方向のどの位置においても流速、圧力の分布が均一に維持される。したがって、保護ガス整流手段２９を通過して中心方向への流れとして整流されるエアーの流れの流速分布が均一になるものである。換言すれば、保護ガス整流手段２９によって整流されての中心方向への流れにおける流速、流量とも均一であり、流速差等に起因する乱流の発生を防止でき、外気を巻き込むようなことがないものである。よって、保護ガラス１５の下面に近接したヒュームを巻き込むようなことがなく、ヒュームの一部が保護ガラス１５の下面に付着することを防止することができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１においては、高速噴出口３５から噴出されるエアーの高速流、外気吸引口３７から吸引される多量の外気によって、スパッタ、ヒュームの大部分が外部へ排出される。そして、保護ガラス１５の下面に近接した一部のヒュームは、保護ガラス１５の下面に沿って周囲から中心方向へ流れるエアーの整流によって保護ガラス１５の下面に接触することを防止されるものである。

すなわち、第１段階においてスパッタ及びヒュームの大部分を外部へ排出し、保護ガラス１５の下面に近接した極く少量のヒュームは、第２段階として、保護ガラス１５の下面に沿って中心方向へ流れるエアーの整流によって、保護ガラス１５の下面に対する接触が防止される。したがって、保護ガラス１５が汚染されることを効果的に防止できるものである。

１ レーザ加工ヘッド
７ 加工ヘッド本体
９ エアー供給ブロック
１１ レーザノズル
１３ 係合凹部
１５ 保護ガラス
１７ 保護ガラスホルダ
２５ 旋回流路
２７ 環状の突出部
２９ 保護ガス整流手段
３１ 旋回流生起流路
３３ エアー供給路
３５ 高速噴出口
３７ 外気吸引口
３９ エアー排出口

Claims (6)

1. レーザ加工ヘッドに備えられた集光レンズとレーザーノズルとの間に備えられた保護ガラスの保護方法であって、前記保護ガラスの前記レーザーノズル側の一側面に沿って、当該保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成し、レーザ加工によって生じたヒュームが前記保護ガラスに接触することを防止して前記ヒュームから前記保護ガラスを保護するに際し、前記保護ガスの整流は複数層の線状に形成してあることを特徴とする保護ガラスの保護方法。
2. 請求項１に記載の保護ガラスの保護方法において、前記保護ガラスと前記レーザーノズルとの間であって前記保護ガラスから離反した位置において、レーザ加工ヘッドの軸心に対して交差する方向への保護ガスの高速流を形成し、レーザ加工によって生じたスパッタ、ヒュームを前記高速流によって吹き飛ばして前記ヒューム、スパッタから前記保護ガラスを保護することを特徴とする保護ガラスの保護方法。
3. 内部に集光レンズを備えると共に先端部にレーザーノズルを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズとレーザーノズルとの間に保護ガラスを備え、当該保護ガラスの前記レーザーノズル側の一側面に沿って当該保護ガラスの周囲から中心方向への保護ガスの整流を形成するための保護ガス整流手段を備え、前記保護ガス整流手段は、前記保護ガラスの前記一側面に接触した環状の多孔質部材を備え、この多孔質部材の外側に、保護ガスが旋回可能な環状の旋回流路を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラス、多孔質部材及び前記旋回流路は、レーザ加工ヘッドにおける加工ヘッド本体と当該加工ヘッド本体に備えられたエアー供給ブロックとの間に備えられており、前記エアー供給ブロックに、保護ガスの旋回流を生起するための環状の旋回流生起流路を備え、この旋回流生起流路と前記旋回流路は、前記旋回流路に沿って形成された長孔によって連通してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 請求項４に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工ヘッド本体と前記エアー供給ブロックとの間に保護ガラスホルダを着脱可能に備え、この保護ガラスホルダに、前記保護ガラス、多孔質部材及び前記旋回流路が備えられていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
6. 請求項４又は５に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ加工によって生じたヒューム、スパッタを前記エアー供給ブロック外へ吹き飛ばすために、保護ガスをレーザ加工ヘッドの軸心に対して交差する方向へ高速で噴出する高速噴出口を前記エアー供給ブロックに備え、この高速噴出口の近傍に、外気を吸引する外気吸引口を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

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