JP6174891B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、クロスジェット方式のレーザ加工ヘッドに関するものである。

レーザ溶接用あるいはレーザ切断用のレーザ加工ヘッドの中に、加工点から発生・飛散するスパッタから光学部品を保護する目的で、加工点と光学部品との間にレーザ光路と交差する方向にクロスジェットガス（主に圧縮空気）を噴射して、スパッタを吹き飛ばすようにしたクロスジェット方式のレーザ加工ヘッドがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−６４８号公報

この種のレーザ加工ヘッドでは、クロスジェットガスを噴射した際に、その強い流れによって周囲の空気が引き込まれる現象（以下「二次流れ」とも言う）が発生する。

ところで、レーザ溶接で溶接点から発生するヒュームは、スパッタなどよりも小さく、空気の流れに乗りやすい。クロスジェットによってレーザ加工ヘッド内部に二次流れが発生した場合、その流れに乗ってヒュームが吸い込まれ、そのヒュームによって、レーザ加工ヘッド内を通過するレーザ光が遮蔽されてしまい、レーザ光を安定して加工点に照射できずに加工に悪影響が出ることがあった。

また、レーザ光とシールドガス（溶接部に吹きかけて酸素との反応を抑制するためのガス）を同じノズル（加工ヘッド本体に相当）から出射して溶接加工を行う溶接ヘッドにおいて、上記の二次流れが強く起こると、ノズル内部に供給したシールドガスがヘッド先端側でなくヘッド上側に吸引されて、ノズルの上部から出て行ってしまうため、ノズル先端から充分な量のシールドガスが排出しなくなったりする。また、それを防ぐために多量のシールドガスをノズルに供給する必要が発生する。しかも、シールドガスの供給流量が増えることで、シールドガスの流れが層流から乱流になり、シールドガスのシールド性能まで劣化してしまう場合がある。

本発明は、上記事情を考慮し、クロスジェットガスの流れによって加工ヘッド本体の内部（レーザ光の通過する貫通路）に二次的に発生していた上昇流（二次流れ）を抑制することができ、これにより、シールドガスを噴射する場合の加工点へのシールドガスの供給不足の問題と、ヒュームの吸い込みによるレーザ遮光の問題を改善することができるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、光学素子を収容した光学系組立体と、該光学系組立体の下部に設けられたクロスジェット組立体と、該クロスジェット組立体の下部に設けられた加工ヘッド本体と、を有し、前記クロスジェット組立体と加工ヘッド本体とに、前記光学系組立体から出射されたレーザ光の通過する貫通路が設けられると共に、前記クロスジェット組立体に、前記貫通路と直交する方向に貫通するクロスジェット通路が設けられ、前記クロスジェット通路に設けられたクロスジェットノズルのノズル孔から前記貫通路と直交する方向にクロスジェットガスを噴射することで、前記貫通路に交差するクロスジェットガスのガスカーテンを形成し、このガスカーテンにより、前記加工ヘッド本体の先端方向の加工点より前記貫通路を通して進入してくるスパッタから前記光学系組立体を保護するレーザ加工ヘッドにおいて、前記クロスジェットノズルに、前記ノズル孔から噴射する前の前記クロスジェットガスの一部を、前記ガスカーテンの下側において前記加工ヘッド本体の貫通路の入口方向に向けて該貫通路の軸線に対し斜めに噴射する副噴射孔を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記クロスジェット組立体を構成するクロスジェットボディに前記クロスジェット通路が形成され、このクロスジェット通路の天井壁に、前記クロスジェットノズルを構成するノズルプレートが取り付けられ、これらノズルプレートと天井壁との間に、クロスジェットガスの供給路に連通したガス空間が形成され、このガス空間の出口として、前記貫通路に面するノズルプレートの端部に前記ノズル孔が形成され、かつ、前記ノズルプレートに、該ノズルプレートと直交する方向に対して斜めに単数または複数の前記副噴射孔が穿設されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記副噴射孔の前記貫通路の軸線に対する傾斜角度が２０°〜７０°の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記副噴射孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量が、前記ノズル孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量を含めた全体流量の５％以下に設定されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドであって、前記加工点にシールドガスを供給していないときの前記加工ヘッド本体の先端における吸い込み流速が０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓの範囲となるように、前記副噴射孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量が設定されていることを特徴とする。

クロスジェットノズルのノズル孔からクロスジェットガスを噴射し、この噴射により形成されるガスカーテンにより、加工ヘッド本体の貫通路を通して進入してくるスパッタから光学系組立体を保護するとき、クロスジェット通路内のクロスジェットガスの流れによって、加工ヘッド本体の貫通路内にクロスジェット通路側へ向かう吸い込み流が発生する。

この吸い込み流が強く発生すると、加工ヘッド本体の貫通路の途中から貫通路を通して加工点にシールドガスを供給している場合（加工ヘッド本体がシールドガスの噴射ノズルとして構成されている場合）は、シールドガスが貫通路の上端の入口側（クロスジェット通路側）に多く流れるようになり、貫通路の先端方向の加工点へのシールドガスの供給不足を生じる可能性が出てくる。また、加工点へのシールドガスの供給不足を生じないようにするためには、シールドガスの供給量を増やす必要が生じる。

また、加工ヘッド本体の貫通路を通さないで、シールドガスを加工ヘッド本体の外部から加工点に供給する場合（サイドノズル方式の場合）も、加工ヘッド本体の貫通路へのシールドガスの吸い込みが起こり、その吸い込み流れにヒュームが乗ることで、加工点に照射すべきレーザ光の一部がヒュームによって遮られ、安定したレーザ加工を実施できないおそれが出てくる。

この点、請求項１の発明によれば、クロスジェットノズルのノズル孔とは別に設けた副噴射孔から、加工ヘッド本体の貫通路の入口に向けて斜めにクロスジェットガスの一部を噴射することにより、クロスジェットガスの強い流れによって二次的に発生していた上昇気流（二次流れ＝加工ヘッド本体の貫通路を通しての吸い込み流れ）を抑制することができる。

従って、加工点へのシールドガスの供給不足を解消することができ、シールドガスの供給量を増やさないで済む。また、ヒュームが加工ヘッド本体の貫通路内に吸い込まれる流れを弱めることができるので、ヒュームによるレーザ光の遮蔽作用を抑制することができ、安定したレーザ加工を実施することができる。

請求項２の発明によれば、クロスジェットノズルのノズルプレートに単数または複数の副噴射孔が設けられており、該副噴射孔からクロスジェットガスの一部を、ノズル孔からの噴射方向よりも下向きに噴射するようにしているので、この噴射流により、ノズル孔から噴射されるクロスジェットに伴う二次的な吸い込み流れを抑制することができる。

請求項３の発明によれば、副噴射孔の貫通路の軸線に対する傾斜角度を２０°〜７０°の範囲に限定しているので、吸い込み流れの抑制効果を確実に得ることができる。

例えば、傾斜角度を２０°より小さくすると、副噴射孔からの噴射流が貫通路の入口から中に入りがちになり、貫通路の内部にシールドガスを流す場合は、シールドガスの流れに乱れを与えてしまう可能性が出てくる。一方、傾斜角度を７０°より大きくすると、副噴射孔からの噴射流によって貫通路の入口を遮蔽する効果が弱くなり、吸い込み流の抑制効果が低下してしまう可能性がある。従って、傾斜角度を２０°〜７０°の範囲に限定することに有意性がある。

請求項４の発明によれば、副噴射孔から分岐噴射されるクロスジェットガスの噴射流量が全体流量の５％以下であるため、ノズル孔から噴射されるクロスジェットガスによる本来のスパッタ排除効果を損なうことがない。

請求項５の発明によれば、加工点にシールドガスを供給していないときの加工ヘッド本体の先端の吸い込み流速を０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓの範囲に設定することにより、ヒュームの吸い込みを極力防ぐことができ、レーザ遮光を抑制し、安定したレーザ加工が可能になる。

本発明の第１実施形態のレーザ加工ヘッドの外観斜視図である。 同第１実施形態のレーザ加工ヘッドの要部の断面図である。 同第１実施形態のレーザ加工ヘッドにおけるクロスジェットの流れとそれに伴う二次流れの状態を矢印で示す要部の拡大断面図である。 図３の部分拡大断面図である。 同第１実施形態のレーザ加工ヘッドの加工ヘッド本体の構成の詳細を示す断面図である。 副噴射孔を設けない比較例の場合のクロスジェットの流れとそれに伴う二次流れの状態を矢印で示す要部の拡大断面図である。 第１実施形態の作用効果の説明ための特性図である。 本発明の第２実施形態の説明に用いる第１実施形態とは別のタイプのレーザ加工ヘッドの外観側面図である。 同レーザ加工ヘッドの従来の問題点の説明用の拡大側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態のレーザ加工ヘッドの構成を示す斜視図、図２は同レーザ加工ヘッドの要部の断面図である。

このレーザ加工ヘッド３は、例えば、レーザ光ＬＢを使用してワークを溶接するレーザ溶接機に採用されるもので、図示しない光学素子を収容した光学系組立体５と、光学系組立体５の下部に設けられたクロスジェット組立体７と、クロスジェット組立体７の下部に設けられた加工ヘッド本体１０と、を備えている。

この場合の加工ヘッド本体１０は、クロスジェット組立体７のクロスジェットボディ７１（図３参照）の下部に設けられたノズルベース９と、ノズルベース９の下部に設けられた同軸ノズル１と、から構成されている。

ここで、説明の便宜のために、レーザ加工ヘッド３の軸（中心軸）の延伸方向をＺ軸方向とし、このＺ軸方向における一端側を基端側（上側）とし、他端側を先端側（下側）とすると、光学系組立体５は、レーザ加工ヘッド３の基端部側に位置しており、光学系組立体５の先端にクロスジェット組立体７が一体的に設けられ、クロスジェット組立体７の先端にノズルベース９が一体的に設けられ、ノズルベース９の先端に同軸ノズル１が一体的に設けられている。

光学系組立体５は、レーザ光を集光する集光レンズ等の光学素子を収容したものであり、クロスジェット組立体７は、光学系組立体５に設けられた集光レンズ等の光学素子を保護するために、クロスジェットガス（主に圧縮空気）Ｇ３のガスカーテン（エアーカーテン）Ｇ４を生成する部分である。

図示しないレーザ発振器が発したレーザ光ＬＢは、レーザ加工ヘッド３の内部を通って（レーザ加工ヘッド３の中心軸やこのまわりを通って、Ｚ軸方向の基端側から先端側に進み）同軸ノズル１の先端から出射されてワークＷに照射されるようになっている。

クロスジェット組立体７と加工ヘッド本体１０には、光学系組立体５から出射されたレーザ光ＬＢの通過する貫通路５０が設けられており、クロスジェット組立体７のボディ７１には、貫通路５０と直交する方向に貫通するクロスジェット通路５１が設けられている。

図３はクロスジェットの流れとそれに伴う二次流れの状態を矢印で示す図２の要部の拡大断面図、図４は図３の部分拡大断面図、図５は加工ヘッド本体の構成の詳細を示す断面図、図６は比較例の場合のクロスジェットの流れとそれに伴う二次流れの状態を矢印で示す要部の拡大断面図である。

図３および図４に示すように、クロスジェット組立体７のクロスジェットボディ７１に形成されたクロスジェット通路５１の天井壁には、クロスジェットノズル６０を構成するノズルプレート６４がスペーサ６３を介して取り付けられており、ノズルプレート６４と天井壁との間に、クロスジェットガスの供給路６１に連通したガス空間６３ａが形成されている。そして、このガス空間６３ａの出口として、貫通路５０に面するノズルプレート６４の端部に、クロスジェットガスＧ３ａ（Ｇ３）を貫通路５０と直交する方向に噴射するスロット状のノズル孔６５が形成されている。

そして、クロスジェットノズル６０のノズル孔６５から貫通路５０と直交する方向にクロスジェットガスＧ３ａ（Ｇ３）を噴射することで、貫通路５０に交差するクロスジェットガスＧ３ａ（Ｇ３）のガスカーテン（エアーカーテン）Ｇ４（図１参照）を形成し、このガスカーテンＧ４により、加工ヘッド本体１０の先端方向のワークＷ上の加工点より貫通路５０を通して進入してくるスパッタＳから光学系組立体５を保護することができるようになっている。

クロスジェットガスＧ３ａの流速は、クロスジェットノズル６０のノズル孔６５から噴射された直後から減速するので、ノズル孔（クロスジェットの噴射口）６５は、貫通路５０のすぐ近くに開口されている。ノズル孔６５から噴射されるクロスジェットガスＧ３ａの方向は、ワークＷ上の加工点を覆うシールドガスにクロスジェットによる悪影響が出ないように、貫通路５０（レーザ光路）にほぼ直交する方向に設定されている。

ところで、図６に示すように、クロスジェットノズル６０のノズル孔６５からクロスジェットガスＧ３を噴射した場合、クロスジェット通路５１内のクロスジェットガスＧ３の流れによって、クロスジェット通路５１の入口側から外気を吸い込む二次流れＡを発生すると共に、加工ヘッド本体１０の貫通路５０内に、クロスジェット通路５１側へ向かう吸い込み流（二次流れ）Ｂ１が発生する。

この吸い込み流Ｂ１（上昇流）が強く発生すると、加工ヘッド本体１０の貫通路５０の途中から貫通路５０を通して加工点にシールドガスＧ１を供給している本実施形態のような場合（加工ヘッド本体１０がシールドガスＧ１の噴射ノズルとして構成されている場合）は、貫通路５０内に供給されたシールドガスＧ１が貫通路５０の上端の入口側（クロスジェット通路５１側）に多く流れるようになり、貫通路５０の先端方向のワークＷ上の加工点へのシールドガスＧ１の供給不足を生じる可能性が出てくる。また、加工点へのシールドガスＧ１の供給不足を生じないようにするためには、シールドガスＧ１の供給量を増やす必要が生じる。しかも、シールドガスＧ１の供給流量を増やした場合、シールドガスＧ１の流れが層流から乱流になりやすくなり、シールドガスＧ１のシールド性能まで劣化してしまうおそれが出てくる等の問題を生じる。

そこで、本実施形態のレーザ加工ヘッド３では、そのような問題を解消するために、図３および図４に示すように、クロスジェットノズル６０に、ノズル孔６５から噴射する前のクロスジェットガスＧ３の一部を、ガスカーテンＧ４の下側において加工ヘッド本体１０の貫通路５０の入口方向に向けて貫通路５０の軸線に対し斜めに噴射する副噴射孔６７を設けている。

この場合、副噴射孔６７は、ノズルプレート６４に、該ノズルプレート６４と直交する方向に対して斜めに穿設されている。副噴射孔６７の数は単数でも複数でもよい。また、副噴射孔６７の貫通路５０の軸線に対する傾斜角度θは、２０°〜７０°の範囲に設定されている。

また、副噴射孔６７から噴射されるクロスジェットガスＧ３ｂの噴射流量が、ノズル孔６５から噴射されるクロスジェットガスＧ３ａの噴射流量を含めた全体流量の５％以下となるように、副噴射孔６７の孔径や孔数が設定されている。さらに、加工点にシールドガスを供給していないときの加工ヘッド本体１０の先端における吸い込み流速が０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓの範囲となるように、副噴射孔６７から噴射されるクロスジェットガスＧ３ｂの噴射流量が設定されている。

次に、図５を用いて加工ヘッド本体１０の同軸ノズル１について詳しく説明する。

同軸ノズル１は、インナーノズル１３と、アウターノズル１５と、冷却回路１７と、を備えて構成されている。

インナーノズル１３は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、内側をレーザ光と、レーザ光の加工部位（加工点）に供給されるインナーシールドガス（シールドガス）Ｇ１とが通過することで、先端からワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射すると共に、ワークＷに対する加工部位に向けてインナーシールドガスＧ１を噴出するようになっている。

インナーノズル１３の内側は、レーザ光が通過するので、インナーシールドガスＧ１の流れを層流化する部品（ガスレンズ用メッシュなど）等を取り付けることができない。そのため、後述するように、レーザ光の通過を邪魔しない位置（レーザ光の通過する空間の側方）に層流化を実現する部品を配置している。

インナーシールドガスＧ１とは、例えば、レーザ光が照射されたワークＷの酸化を防止すると共に発生するプラズマを除去するためにワークＷの加工部位に供給されるガスであり、ここでは窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが使用されている。プラズマとは、レーザ光によって蒸発したワークＷの蒸気（ワークＷが金属である場合には、金属蒸気）である。

アウターノズル１５は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、インナーノズル１３の外側でインナーノズル１３に一体的に連結されている。また、アウターノズル１５は、インナーノズル１３の外側に筒状（例えば円筒状）の空間（隙間）１９を形成するように、インナーノズル１３を囲んでおり、筒状の空間１９のところをアウターシールドガス（シールドガス）Ｇ２が流れ、先端からアウターシールドガスＧ２を噴出するようになっている。

アウターシールドガスＧ２とは、例えば、レーザ光が照射された加工部位でのワークＷの酸化を防止するために加工部位のまわりに供給されるガスであり、ここでは窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが使用されている。

アウターノズル１５とインナーノズル１３の間の筒状の空間１９は、レーザ光が通過する部分ではないために、通常の層流化部品（ガスレンズ用メッシュ２７など）を設置することができて、層流化した状態でアウターシールドガスＧ２をインナーノズル１３に沿って噴出することができるようになっている。

インナーノズル１３の中心軸とアウターノズル１５の中心軸とは、レーザ加工ヘッド３の軸に一致しており、レーザ加工ヘッド３は、平面状のワークＷの加工面に対し垂直な直線に対して、同軸ノズル１の軸を１０°〜２０°傾けて主に使用される。

また、冷却回路１７は、インナーノズル１３の外周を冷却するものであり、本実施形態の冷却回路１７は、前述したインナーシールドガスＧ１やアウターシールドガスＧ２とは異なるガスであるクロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却する構成になっている。

この冷却回路１７は、インナーノズル１３とアウターノズル１５との間に存在する円筒状の空間（間隙）１９に、例えば円筒状の中間筒状体２１を設置することで（中間筒状体２１をインナーノズル１３に一体的に設置することで）、クロスジェットガスＧ３のみが流れる空間（例えば円筒状等の筒状の空間）２３を形成している。この空間２３は、インナーノズル１３の外周の少なくとも一部を囲んでいる。

ノズルベース９の先端（下端）には、インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する筒状部品として円筒状のメッシュ支持体２５が設けられており、このメッシュ支持体２５の外側に、メッシュ支持体２５よりも径の大きい円筒状のパーテーション２９が設けられ、そのパーテーション２９の外側に、パーテーション２９よりも径の大きい円筒状のノズルホルダー３３が設けられている。

パーテーション２９は、アウターノズル１５の内側の円筒状の空間１９の内部に別の空間を仕切るもので、メッシュ支持体２５とパーテーション２９との間には、この別の空間として、円筒状のインナーガスチャンバ３１が確保されている。

メッシュ支持体２５の周壁には、インナーガスチャンバ３１の上部に位置させて、インナーノズル１３の内側の空間３４にインナーシールドガスＧ１を供給する複数の供給口（切欠によって構成されている）２６が設けられており、これら供給口２６に、インナーノズル１３の内側の空間３５に供給するインナーシールドガスＧ１の流れを層流化するためのガスレンズ用のメッシュ（整流手段）２７が設けられている。つまり、インナーガスチャンバ３１の基端（上端）側の箇所はメッシュ２７を通して、メッシュ支持体２５の内側の空間３５（インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する空間）につながっている。

この場合のメッシュ２７は、供給口２６ごとに円弧曲面状または矩形平面状の形で設けられていてもよいし、全部の供給口２６を覆うように円筒面状に設けられていてもよい。また、供給口２６の向きをメッシュ支持体２５の軸線に直交する方向に設定するのではなく、ノズル先端方向に斜めに向くように設定してもよい。

インナーガスチャンバ３１には、この上部に位置して、インナーシールドガスＧ１がインナーガスチャンバ３１内に流入する流入口（図示せず）が設けられている。

そして、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってきたインナーシールドガスＧ１は、インナーガスチャンバ３１とメッシュ２７と空間３５とを通り、インナーノズル１３の内部の空間３４を経てインナーノズル１３の先端から噴出され、レーザ加工部位に供給されるようになっている。

なお、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってインナーガスチャンバ３１まで到達したインナーシールドガスＧ１の少なくとも一部は、インナーガスチャンバ３１の先端側の内面（インナーガスチャンバ３１の内底面）にぶつかって、一旦基端側に方向を変え、メッシュ２７を通るようになっている。このようにガス流れの方向が反転することで、流入口から流入するインナーガスを流入時の流体エネルギーを減衰させた上でインナーガスを供給口２５から排出する。従って、インナーシールドガスＧ１の流速および不均一性が緩和され、この後、メッシュ２７を通過することで層流化された状態でインナーノズル１３内に導入される。

パーテーション２９の先端には、ノズルホルダー３３と一体の円筒状の基端側インナーノズル１３Ａが連結されており、基端側インナーノズル１３Ａの先端には、筒状の先端側インナーノズル１３Ｂが接続されている。

そして、円筒状の基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂとでインナーノズル１３が形成されており、先端側インナーノズル１３Ｂが基端側インナーノズル１３Ａに螺合されていることで、先端側インナーノズル１３Ｂが容易に交換できるようになっている。

なお、本実施形態では、ノズルホルダー３３と基端側インナーノズル１３Ａとが一体で構成され、ノズルホルダー３３の先端側は、インナーノズル１３の一部を形成する基端側インナーノズル１３Ａとなっている。

中間筒状体２１の径は、インナーノズル１３の径よりも大きくなっており、ノズルホルダー３３の先端に設けられており、基端側インナーノズル１３Ａを覆っている。中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａとの間には、円筒状の空間２３が形成されている。

そして、図示しない流路を通ってきたクロスジェットガスＧ３が、空間２３を通って基端側インナーノズル１３Ａを冷却し、図示しない別流路を通って、クロスジェット組立体７まで戻り、集光レンズ等の光学素子を保護するためにクロスジェットガスＧ３のエアーカーテンＧ４を生成するようになっている。

なお、基端側インナーノズル１３Ａの外周には、大きな外径部と小さな外径部とが軸方向で交互に並んで形成されているフィン３９が設けられており、クロスジェットガスＧ３による基端側インナーノズル１３Ａの冷却効率が高められている。

アウターノズル１５の径は、インナーノズル１３や中間筒状体２１の径よりも大きくなっており、アウターノズル１５は、ノズルホルダー３３の先端に設けられ、中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂの一部（基端側部位）を覆っている。

そして、図示しない流路を通ってきたアウターシールドガスＧ２が、アウターノズル１５とインナーノズル１３との間に確保された円筒状の空間１９を経由し、アウターノズル１５の先端の開口３７に設けたガスレンズ用のメッシュ２７を通過し、レーザ加工部位のまわりに向けて層流状態で噴出されるようになっている。

このレーザ加工ヘッド３によれば、図３に示すように、クロスジェットノズル６０のノズル孔６５とは別に設けた副噴射孔６７から、加工ヘッド本体１０の貫通路５０の入口に向けて斜めにクロスジェットガスＧ３の一部（矢印Ｇ３ｂで示す流れ）を噴射することにより、ノズル孔６５から噴射されたクロスジェットガスＧ３ａの強い流れによって二次的に発生していた上昇気流（二次流れ＝加工ヘッド本体の貫通路を通しての吸い込み流れ）を抑制することができる。つまり、副噴射孔６７からの噴射がない場合は、矢印Ｂ１で示すように強い上昇流が生じていたが、その流れを矢印Ｂ２で示すように弱めることができる。

従って、図５に示すインナーシールドガスＧ１の上昇流Ｇ１ｂを抑制できることから、加工点へ向かうインナーシールドガスＧ１の流れ（本来必要なシールドガスの流れ）Ｇ１ａを多くすることができ、加工点へのインナーシールドガスＧ１の供給不足を解消することができる。従って、インナーシールドガスＧ１の供給量を増やさないで済み、インナーシールドガスＧ１を層流状態で加工点に安定供給することができる。

また、このレーザ加工ヘッド３によれば、クロスジェットノズル６０のノズルプレート６４に副噴射孔６７を設けており、該副噴射孔６７からクロスジェットガスＧ３の一部を、ノズル孔６５からの噴射方向よりも下向きに噴射するようにしているので、この噴射流Ｇ３ｂにより、ノズル孔６５から噴射されるクロスジェットＧ３ａに伴う二次的な吸い込み流れを矢印Ｂ２のように抑制することができる。

また、このレーザ加工ヘッド３によれば、副噴射孔６７の貫通路５０の軸線に対する傾斜角度θを２０°〜７０°の範囲に限定しているので、吸い込み流れの抑制効果を確実に得ることができる。

例えば、傾斜角度θを２０°より小さくすると、副噴射孔６７からの噴射流Ｇ３ｂが貫通路５０の入口から中に入りがちになり、貫通路５０の内部のシールドガスＧ１の流れに乱れを与えてしまう可能性が出てくる。一方、傾斜角度θを７０°より大きくすると、副噴射孔６７からの噴射流Ｇ３ｂによって貫通路５０の入口を遮蔽する効果が弱くなり、吸い込み流の抑制効果が低下してしまう可能性がある。従って、傾斜角度θを２０°〜７０°の範囲に限定することに有意性がある。

さらに、本実施形態のレーザ加工ヘッド３によれば、副噴射孔６７から分岐噴射されるクロスジェットガスＧ３ｂの噴射流量が全体流量の５％以下であるため、ノズル孔６５から噴射されるクロスジェットガスＧ３ａによる本来のスパッタ排除効果を損なうことがない。

図７は同軸ノズル１の先端の吸引速度とシールドガス濃度の関係を示す特性図で、この特性図から、クロスジェットにより発生する同軸ノズル１方向からの吸引流速を２．０ｍ／ｓ以下にすることで、シールドガス濃度を良好に維持しやすくなることが分かる。

また、本実施形態のレーザ加工ヘッド３の同軸ノズル１によれば、クロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却する構成であるので、冷却用の媒体を新たに追加することなく、簡素な構成で同軸ノズル１を冷却することができる。また、クロスジェットガスＧ３を用いるので、同軸ノズル１の冷却にかかるランニングコストを低減することができる。

なお、上記第１実施形態のレーザ加工ヘッド３は、加工ヘッド本体１０の内部通路（貫通路５０）を通してシールドガスを加工点に噴射するノズルタイプのものである場合について説明したが、図８および図９に示すように、レーザ加工ヘッド１０１の外部に、インナーシールドガスＧ１を噴射するサイドノズル１１０を配置するタイプの場合にも本発明は適用することができる。

そこで、このサイドノズル１１０を配置するタイプのレーザ加工ヘッド１０１に本発明を適用したものを第２実施形態として挙げる。

このレーザ加工ヘッド１０１も、第１実施形態と同様に、クロスジェットガスを噴射することで、貫通路５０を通しての光学系組立体５へのスパッタの進入を阻止するようにしている（図６参照）。この場合も、クロスジェット通路５１内のクロスジェットガスＧ３の流れによって、加工ヘッド本体の貫通路５０内にクロスジェット通路５１側へ向かう吸い込み流Ｂ１が発生する。

この吸い込み流Ｂ１が強く発生すると、サイドノズル１１０を使って（加工ヘッド本体の貫通路５０を通さないで）インナーシールドガスＧ１を加工点に供給する場合であっても、加工ヘッド本体の貫通路への吸い込み流（図８中矢印Ａで示す流れ）が発生し、図９に示すように、その吸い込み流れにヒュームＦが乗ることで、加工点に照射すべきレーザ光ＬＢの一部がヒュームＦによって遮られ、よって、安定したレーザ加工を実施できないおそれが出てくる。

そこで、図３および図４に示すように、第２実施形態のレーザ加工ヘッドでは、クロスジェットノズル６０のノズル孔６５とは別に設けた副噴射孔６７から、加工ヘッド本体の貫通路５０の入口に向けて斜めにクロスジェットガスＧ３の一部を噴射するようにしている。

これにより、クロスジェットガスＧ３の強い流れによって二次的に発生していた上昇気流（二次流れ＝加工ヘッド本体の貫通路を通しての吸い込み流れ）を抑制することができる。従って、ヒュームＦが加工ヘッド本体の貫通路内に吸い込まれる流れを弱めることができ、ヒュームＦによるレーザ光ＬＢの遮蔽作用を抑制することができ、安定したレーザ加工を実施することができる。

この場合、加工点にインナーシールドガスＧ１を供給していないときの加工ヘッド本体の先端の吸い込み流速を０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓの範囲に設定することにより、ヒュームＦの吸い込みを極力防ぐことができ、レーザ遮光を抑制し、安定したレーザ加工が可能になる。

３ レーザ加工ヘッド
５ 光学系組立体
７ クロスジェット組立体
１０ 加工ヘッド本体
５０ 貫通路
５１ クロスジェット通路
６０ クロスジェットノズル
６３ａ ガス空間
６４ ノズルプレート
６５ ノズル孔
６７ 副噴射孔
７１ クロスジェットボディ
Ｇ３，Ｇ３ａ，Ｇ３ｂ クロスジェットガス
Ｇ４ ガスカーテン（エアーカーテン）
Ｓ スパッタ

Claims (5)

1. 光学素子を収容した光学系組立体と、該光学系組立体の下部に設けられたクロスジェット組立体と、該クロスジェット組立体の下部に設けられた加工ヘッド本体と、を有し、
   前記クロスジェット組立体と加工ヘッド本体とに、前記光学系組立体から出射されたレーザ光の通過する貫通路が設けられると共に、前記クロスジェット組立体に、前記貫通路と直交する方向に貫通するクロスジェット通路が設けられ、
   前記クロスジェット通路に設けられたクロスジェットノズルのノズル孔から前記貫通路と直交する方向にクロスジェットガスを噴射することで、前記貫通路に交差するクロスジェットガスのガスカーテンを形成し、このガスカーテンにより、前記加工ヘッド本体の先端方向の加工点より前記貫通路を通して進入してくるスパッタから前記光学系組立体を保護するレーザ加工ヘッドにおいて、
   前記クロスジェットノズルに、前記ノズル孔から噴射する前の前記クロスジェットガスの一部を、前記ガスカーテンの下側において前記加工ヘッド本体の貫通路の入口方向に向けて該貫通路の軸線に対し斜めに噴射する副噴射孔を設けたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記クロスジェット組立体を構成するクロスジェットボディに前記クロスジェット通路が形成され、このクロスジェット通路の天井壁に、前記クロスジェットノズルを構成するノズルプレートが取り付けられ、これらノズルプレートと天井壁との間に、クロスジェットガスの供給路に連通したガス空間が形成され、このガス空間の出口として、前記貫通路に面するノズルプレートの端部に前記ノズル孔が形成され、かつ、前記ノズルプレートに、該ノズルプレートと直交する方向に対して斜めに単数または複数の前記副噴射孔が穿設されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記副噴射孔の前記貫通路の軸線に対する傾斜角度が２０°〜７０°の範囲に設定されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記副噴射孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量が、前記ノズル孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量を含めた全体流量の５％以下に設定されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドであって、
   前記加工点にシールドガスを供給していないときの前記加工ヘッド本体の先端における吸い込み流速が０．１ｍ／ｓ〜２ｍ／ｓの範囲となるように、前記副噴射孔から噴射されるクロスジェットガスの噴射流量が設定されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
   

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