JP6431867B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機に関する。

ファイバレーザ加工機等のレーザ加工機に用いられるレーザ加工ヘッドの構成等について簡単に説明すると、次のようになる。

レーザ加工ヘッドは、筒状の加工ヘッド本体を具備しており、この加工ヘッド本体は、基端側に、伝送ファイバの出射端を保持するファイバ保持部（ファイバホルダ）を有している。また、加工ヘッド本体は、先端側に、レーザ光を照射可能かつアシストガスを噴射可能なノズルを有しており、加工ヘッド本体の内部は、アシストガスの供給源に接続可能になっている。そして、加工ヘッド本体内には、コリメートレンズが設けられており、このコリメートレンズは、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光を平行光に変換するものである。更に、加工ヘッド本体内におけるコリメートレンズとノズルの間には、集光レンズが設けられており、この集光レンズは、平行光に変換されたレーザ光を集光するものである。

従って、ファイバレーザ発振器を作動させて、伝送ファイバの出射端からレーザ光を出射することにより、そのレーザ光をコリメートレンズによって平行光に変換し、集光レンズによって集光してノズルからワークの被切断部に向かってレーザ光を照射する。また、レーザ光を照射すると同時に、アシストガス供給源から加工ヘッド本体の内部にアシストガスを供給することにより、ノズルからワークの被切断部に向かってアシストガスを噴射する。これにより、レーザ光のエネルギーを利用して、ワークの被切断部を溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークに対して切断加工を行うことができる。前述の動作を連続して繰り返すことにより、複数のワークに対して一連の切断加工を行うことができる。

ここで、切断加工の加工形態は、アシストガスとして窒素等の不活性ガスを用いた無酸化加工（不活性ガス加工）と、アシストガスとして酸素を用いた酸素加工とに分けることができる。無酸化加工は、レーザ光のエネルギーのみによってワークを溶融させて、ワークの切断面の酸化を防止することができ、ステンレス、銅、アルミ、軟鋼等の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなるワークの高速切断に適している。酸素加工は、レーザ光のエネルギーの他に酸化反応熱によってワークを溶融させることができ、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークの切断に適している。また、無酸化加工には、汎用の集光レンズが用いられるのに対して、酸素加工の場合は、バーニング（異常燃焼）を防止するために、リング状のレーザ光（リングビーム）を形成可能なアキシコンレンズを組込んだ特殊な集光レンズが用いられる（特許文献１及び特許文献２等参照）。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２の他に、特許文献３に示すものがある。

特開２０１３−７５３３１号公報 ＷＯ２０１０／０９５７４４ Ａ１ 特開２０００−２２７５７６号公報

ところで、一連の切断加工の途中に、加工対象であるワークの変更等の理由により加工形態が無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することがある。このような場合には、切断加工を一旦中断して、汎用の集光レンズから特殊な集光レンズに変更する等、レーザ加工機の段取り替えが必要になる。そのため、一連の切断加工の作業が煩雑化して、作業能率が低下すると共に、切断加工の中断時間が長くなって、切断加工の生産性を十分に高めることができないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、加工ヘッド本体内における伝送ファイバの出射端とコリメートレンズの間に設けられたアパーチャによって、レーザ光の外層部分を適正なカット率の下で遮断することにより、アキシコンレンズを組込んだ特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うと共に、ステンレス、銅、アルミ、軟鋼等の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなるワークに対して無酸化加工による高速切断を行うことができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った。これは、加工点としてのワークの被切断部におけるレーザ光のパワー強度を十分に確保した上で、レーザ光の外層部分、換言すれば、レーザ光におけるワークの溶融（切断）に寄与しない低エネルギーの部分がワークの被切断部に照射されることを抑制したことによるものと考えられる。ここで、アパーチャによる適正なカット率とは、２〜１０％のことをいう。

本発明の第１の特徴は、軟鋼の厚さ６ｍｍ以上のワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うと共に、ステンレス等の厚さ３ｍｍ以下のワークに対して無酸化加工による高速切断を行うレーザ加工機において、レーザ発振器から発振されたレーザ光を伝送するための伝送ファイバの出射端に接続されたレーザ加工ヘッドを具備し、 前記レーザ加工ヘッドは、前記伝送ファイバの出射端を保持するファイバ保持部（ファイバホルダ）を有し、先端側にレーザ光を照射可能かつアシストガスを噴射可能なノズルを有し、内部がアシストガスの供給源に接続可能な筒状の加工ヘッド本体と、前記加工ヘッド本体内に設けられ、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、前記加工ヘッド本体内における前記コリメートレンズと前記ノズルの間に設けられ、平行光に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記加工ヘッド本体内における前記ファイバ保持部と前記コリメートレンズとの間に設けられ、レーザ光を透過させるための円形の開口部を有し、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分（外周側に位置する部分）を遮断（カット）するアパーチャと、を具備し、前記アパーチャの内周面は、前記アパーチャの内径がレーザ光の進行方向に向かって徐々に大きくなるテーパ形状を呈しており、前記アパーチャの内周面のテーパ角は、前記アパーチャの前記開口部を透過するレーザ光の広がり角よりも大きい角度に設定され、前記アパーチャの内径は、前記アパーチャによるレーザ光のカット率が２〜１０％になるように設定されていることを要旨とする。

ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「保持する」とは、直接的に保持することの他に、別部材を介して間接的に保持することを含む意であって、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「アパーチャの内径」とは、アパーチャの内径が光軸方向に沿って変化する場合には、最小内径のことをいう。更に、「アパーチャによるレーザ光のカット率」とは、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光のパワー強度に対する、アパーチャによって遮断（カット）されたレーザ光のパワー強度の割合のことをいう。

本発明の第１の特徴によると、前記レーザ発振器を作動させて、前記伝送ファイバの出射端からレーザ光を出射することにより、そのレーザ光の外層部分を前記アパーチャによって遮断し、その後、そのレーザ光を前記コリメートレンズによって平行光に変換し、前記集光レンズによって集光して前記ノズルからワークの被切断部に向かってレーザ光を照射する。また、レーザ光を照射すると同時に、前記アシストガス供給源から前記加工ヘッド本体の内部にアシストガスを供給することにより、前記ノズルからワークの被切断部に向かってアシストガスを噴射する。これにより、レーザ光のエネルギーを利用して、ワークの被切断部を溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークに対して切断加工を行うことができる。前述の動作を連続して繰り返すことにより、複数のワークに対して一連の切断加工を行うことができる。

前述の新規な知見を適用すると、特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うと共に、ステンレス等の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなるワークに対して無酸化加工による高速切断を行うことができる。これにより、一連の切断加工の途中に、前記レーザ加工機の段取り替えを行うことなく、切断加工の加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができる。

本発明によれば、一連の切断加工の途中に、前記レーザ加工機の段取り替えを行うことなく、切断加工の加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができるため、切断加工の作業の煩雑化を抑えて、作業能率の向上を図ると共に、切断加工の中断時間を極力無くして、切断加工の生産性を十分に高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの断面図であって、加工テーブルの一部も併せて図示してある。 図２は、図１における矢視部IIの拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係るファイバレーザ加工機の斜視図である。 図４（ａ）（ｂ）は、アクリル板にレーザ光を照射することによって形成したバーンパターンを示す写真図であって、図４（ａ）は、レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着しない場合であって、図４（ｂ）は、レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着した場合である。 図５（ａ）（ｂ）は、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークの酸素加工による切断によって取り出した切断片を示す写真図であって、図５（ａ）は、レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着しない場合であって、図５（ｂ）は、レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着した場合である。 図６は、アパーチャを装着した場合（発明例１、２）とアパーチャを装着しない場合（比較例１、２）について行ったレーザ光の反射試験の結果を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図３を参照して説明する。

図３に示すように、本発明の実施形態に係るファイバレーザ加工機１は、ファイバレーザ発振器３から発振された１μｍ帯の波長のレーザ光ＬＢを利用して、ワークＷに対して切断加工を行う装置である。ここで、ファイバレーザ発振器３の構成は、例えば、特開２０１２−２４７７８号公報に示すように公知の構成からなるものである。

ファイバレーザ加工機１は、ファイバレーザ発振器３を具備する他に、ワークＷを支持する加工テーブル（支持フレーム）５を具備しており、この加工テーブル５は、Ｘ軸方向（前後方向）へ延びており、ワークＷを点接触で支持する多数の支持部（図示省略）、及び多数の支持部に対してワークＷを固定するクランプ部材（図示省略）等を備えている。また、加工テーブル５には、門型のＸ軸可動フレーム７がＸ軸方向へ延びたＸ軸ガイドレール（図示省略）を介してＸ軸方向へ移動可能に設けられており、このＸ軸可動フレーム７は、Ｘ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＸ軸方向へ移動するようになっている。更に、Ｘ軸可動フレーム７の水平部７ａには、Ｙ軸キャリッジ９がＹ軸方向へ延びたＹ軸ガイドレール（図示省略）を介してＹ軸方向へ移動可能に設けられており、このＹ軸キャリッジ９は、Ｙ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＹ軸方向へ移動するようになっている。

Ｙ軸キャリッジ９には、レーザ加工ヘッド１１がＺ軸方向（上下方向）へ延びたＺ軸ガイドレール（図示省略）を介してＺ軸方向へ移動可能に設けられている。また、レーザ加工ヘッド１１は、Ｚ軸サーボモータ（図示省略）の駆動によりＺ軸方向へ移動すると共に、Ｘ軸サーボモータの駆動によりＸ軸可動フレーム７と一体的にＸ軸方向へ移動しかつＹ軸サーボモータの駆動によりＹ軸キャリッジ９と一体的にＹ軸方向へ移動するようになっている。更に、レーザ加工ヘッド１１には、ファイバレーザ発振器３から発振されたレーザ光ＬＢを伝送するための伝送ファイバ（プロセスファイバ）１３の出射端１３ｅが接続されている。そして、レーザ加工ヘッド１１の具体的な構成は、次のようになる。

図１及び図２に示すように、レーザ加工ヘッド１１は、筒状（中空状）の加工ヘッド本体１５を具備しており、この加工ヘッド本体１５は、筒状の上部加工ヘッド本体１７と、この上部加工ヘッド本体１７の下側に着脱可能に設けられた筒状の下部加工ヘッド本体１９と、この上部加工ヘッド本体１７の上側に着脱可能に設けられた環状のジャケット２１とを備えている。また、ジャケット２１の上側には、伝送ファイバ１３の出射端１３ｅをコネクタ２３を介して保持するファイバ保持部としてのファイバホルダ２５が着脱可能に設けられており、換言すれば、加工ヘッド本体１５は、基端側（上端側）に、ファイバホルダ２５を有している。

下部加工ヘッド本体１９の下端には、レーザ光ＬＢを照射可能かつアシストガスを噴射可能なノズル２７が設けられており、換言すれば、加工ヘッド本体１５は、先端側（下端側）に、ノズル２７を有している。また、下部加工ヘッド本体１９の内部は、ガス供給管２９等を介してアシストガス供給源としてのガスボンベ３１に接続されている。なお、ガスボンベ３１は、切断加工の加工形態に応じて適宜に交換可能になっている。

上部加工ヘッド本体１７内には、筒状の上部レンズホルダ３３が着脱可能に設けられている。また、上部レンズホルダ３３内には、コリメートレンズ３５が着脱可能に保持されており、換言すれば、加工ヘッド本体１５内には、コリメートレンズ３５が上部レンズホルダ３３を介して着脱可能に設けられており、コリメートレンズ３５は、伝送ファイバ１３の出射端１３ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換するものである。ここで、コリメートレンズ３５の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置は、コリメートレンズ３５の焦点位置が伝送ファイバ１３の出射端１３ｅの位置に一致するように設定されている。

下部加工ヘッド本体１９内には、筒状の下部レンズホルダ３７が着脱可能に設けられている。また、下部レンズホルダ３７内には、集光レンズ３９が着脱可能に保持されており、換言すれば、加工ヘッド本体１５内におけるコリメートレンズ３５とノズル２７との間には、集光レンズ３９が下部レンズホルダ３７を介して着脱可能に設けられており、集光レンズ３９は、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを集光するものである。

ジャケット２１の内側、換言すれば、加工ヘッド本体１５内におけるファイバホルダ２５とコリメートレンズ３５の間には、アパーチャ４１が着脱可能に設けられており、アパーチャ４１は、伝送ファイバ１３の出射端１３ｅから出射されたレーザ光ＬＢの外層部分（外周側に位置する部分）ＬＢｏを遮断（カット）するものである。また、アパーチャ４１は、熱伝導性の高い材料からなり、レーザ光ＬＢを透過させるための円形の開口部４１ａを有している。なお、熱伝導性の高い材料とは、例えば、アルミ、アルミ合金、銅、又は銅合金等のことをいう。

アパーチャ４１の内周面４１ｉは、アパーチャ４１の内径がレーザ光ＬＢの進行方向（コリメートレンズ３５側）に向かって徐々に大きくなるテーパ形状を呈している。また、アパーチャ４１の内周面４１ｉのテーパ角θ１は、アパーチャ４１の開口部４１ａを透過するレーザ光（アパーチャ４１から出射されるレーザ光）ＬＢの広がり角θ２よりも大きい角度に設定されている。そして、アパーチャ４１の内周面４１ｉの最小内径Ｄは、アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率（遮断率）が２〜１０％、好ましくは、３〜８％になるように設定されている。アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率が２％以上になるようにしたのは、２％未満であると、レーザ光ＬＢの外層部分ＬＢｏ、換言すれば、レーザ光ＬＢにおける溶融（切断）に寄与しない低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを十分に抑制することが困難になり、例えば軟鋼厚板の酸素加工の際にバーニングなどが発生するからである。一方、アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率が１０％以下になるようにしたのは、１０％を超えると、加工点としてのワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度が低下して、例えばステンレス薄板の無酸化加工中の切断速度を高速に維持できず、切断速度をかなり低速にする必要があり生産性が低下するからであり、軟鋼厚板の酸素加工とステンレス薄板の無酸化加工を両立させるカット率（２〜１０％）が必要となる。なお、アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率が好ましくは３％以上で８％以下になるようにしたのは、無酸化加工でも特に銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、又は鏡面仕上げしたステンレス等の高反射材の薄板からなるワークＷに対して切断加工を行う場合に、レーザ加工ヘッド１１側への反射光ＬＢ’を十分に低減し、なお且つ切断速度を低減を抑え生産性を維持するためである。

アパーチャ４１におけるファイバホルダ２５側の面には、断面略Ｖ字状の環状の反射溝４１ｓが形成されており、換言すれば、アパーチャ４１における開口部４１ａのファイバホルダ２５側の周縁部分４１ｍの断面は、鋭角形状を呈している。また、アパーチャ４１の反射溝４１ｓの内側反射面４１ｓｉのテーパ角θ３は、外側反射面４１ｓｏのテーパ角θ４よりも大きい角度に設定されている。なお、ジャケット２１の内周面におけるファイバホルダ２５側の部位２１ｉは、ジャケット２１の内径が伝送ファイバ１３の出射端１３ｅ側に向かって徐々に小さくなるテーパ形状を呈している。

ジャケット２１の内周面とアパーチャ４１の外周面との間には、冷却水を循環させるための環状の冷却水通路４３が形成されている。また、冷却水通路４３は、冷却水供給管４５及び冷却水排出管４７等を介して冷却水を循環させるチラー（冷却水循環装置）４９に接続されている。なお、ジャケット２１の内周面とアパーチャ４１の外周面との間の適宜位置には、冷却水通路４３からの水漏れを防止するための複数のＯリング５１が設けられている。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

Ｚ軸サーボモータの駆動によりレーザ加工ヘッド１１をＺ軸方向へ移動させて、レーザ光ＬＢの焦点位置を調節する。そして、ファイバレーザ発振器３を作動させて、伝送ファイバ１３の出射端１３ｅからレーザ光ＬＢを出射することにより、そのレーザ光ＬＢの外層部分ＬＢｏをアパーチャ４１によって遮断し、その後、そのレーザ光ＬＢをコリメートレンズ３５によって平行光に変換し、集光レンズ３９によって集光してノズル２７からワークＷの被切断部Ｗａに向かってレーザ光ＬＢを照射する。また、ガスボンベ３１から下部加工ヘッド本体１９の内部にアシストガスを供給することにより、ノズル２７からワークＷの被切断部Ｗａに向かってアシストガスを噴射する。更に、ノズル２７からレーザ光ＬＢを照射しかつアシストガスを噴射した状態で、Ｘ軸サーボモータ及びＹ軸サーボモータのうち少なくともいずれかのサーボモータの駆動によりレーザ加工ヘッド１１をワークＷの被切断部Ｗａに沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向のうちの少なくともいずれかの方向へ移動させる。これにより、高密度に集光したレーザ光ＬＢのエネルギーを利用して、ワークＷの被切断部Ｗａを溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークＷに対して切断加工を行うことができる。前述の動作を連続して繰り返すことにより、複数のワークＷに対して一連の切断加工を行うことができる。

アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率が２〜１０％になるようにアパーチャ４１の最小内径Ｄが設定されているため、前述の新規な知見を適用すると、特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークＷに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うと共に、ステンレス等の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなるワークＷに対して無酸化加工（窒素加工）による生産性を維持しつつ高速の切断を行うことができる。これにより、一連の切断加工の途中に、ファイバレーザ加工機１の段取り替えを行うことなく、切断加工の加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができる。

アパーチャ４１によるレーザ光ＬＢのカット率が好ましく３％以上になるようにアパーチャ４１の最小内径Ｄが設定されているため、特にワークＷが高反射材の薄板からなりかつ切断加工の加工形態が無酸化加工である場合においても、レーザ光ＬＢにおける前記低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを抑制して、レーザ加工ヘッド１１側への反射光ＬＢ’を十分に低減することができる。

アパーチャ４１の内周面４１ｉのテーパ角θ１がアパーチャ４１の開口部４１ａを透過するレーザ光ＬＢの広がり角θ２よりも大きい角度に設定されているため、レーザ光ＬＢがアパーチャ４１の開口部４１ａを透過する際に、アパーチャ４１の内周面４１ｉと干渉することを回避することができる。

アパーチャ４１における開口部４１ａのファイバホルダ２５側の周縁部分４１ｍの断面が鋭角形状を呈し、アパーチャ４１の反射溝４１ｓの内側反射面４１ｓｉのテーパ角θ３が外側反射面４１ｓｏのテーパ角θ４よりも大きい角度に設定され、ジャケット２１の内周面におけるファイバホルダ２５側の部位２１ｉが前述のようにテーパ形状を呈しているため、アパーチャ４１によって遮断したレーザ光ＬＢの外層部分ＬＢｏが伝送ファイバ１３の出射端１３ｅ側へ反射することを回避することができる。

ワークＷの切断加工中に、チラー４９を作動させて、冷却水通路４３に冷却水を循環させることにより、アパーチャ４１を水冷して、アパーチャ４１の温度上昇を抑えることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、一連の切断加工の途中に、ファイバレーザ加工機１の段取り替えを行うことなく、切断加工の加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができるため、切断加工の作業の煩雑化を抑えて、作業能率の向上を図ると共に、切断加工の中断時間を極力無くして、切断加工の生産性を十分に高めることができる。

また、レーザ光ＬＢがアパーチャ４１の開口部４１ａを透過する際に、アパーチャ４１の内周面４１ｉと干渉することを回避できるため、レーザ光ＬＢのビーム品質を安定させて、切断加工の精度の向上を図ることができる。

更に、ワークＷが高反射材の薄板からなりかつ切断加工の加工形態が無酸化加工である場合においても、レーザ加工ヘッド１１側への反射光ＬＢ’を十分に低減できるため、集光レンズ３９、コリメートレンズ３５、及び伝送ファイバ１３の出射端１３ｅ等の焼損を十分に防止することができる。特に、アパーチャ４１が反射光ＬＢ’を遮断すると共に、アパーチャ４１によって遮断したレーザ光ＬＢの外層部分ＬＢｏが伝送ファイバ１３の出射端１３ｅ側へ反射することを回避できるため、伝送ファイバ１３の出射端１３ｅの焼損をより十分に防止することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ファイバレーザ加工機１に適用した技術的思想を、レーザ光を伝送ファイバで伝送する形式のＹＡＧレーザ加工機、固体レーザ加工機、及び炭酸レーザ加工機等に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図４（ａ）（ｂ）から図６を参照して説明する。

レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着しない状態で、レーザ加工ヘッドのノズルからアクリル板にレーザ光を照射して、アクリル板にバーンパターンを形成すると、図４（ａ）に示すように、バーンパターンに霧状のレーザ光の外層部分を含まれていることが確認できた。これに対して、レーザ加工ヘッドにアパーチャ（レーザ光のカット率７％）を装着した状態で、レーザ加工ヘッドのノズルからアクリル板にレーザ光を照射して、アクリル板にバーンパターンを形成すると、図４（ｂ）に示すように、バーンパターンから霧状のレーザ光の外層部分がカットされたことが確認できた。

レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着しない状態で、軟鋼の厚さ１０ｍｍの厚板からなるワークに対して酸素加工による切断を行い、そのワークから切断片を取り出すと、図５（ａ）に示すように、バーニングが発生することが確認できた。これに対して、レーザ加工ヘッドにアパーチャ（レーザ光のカット率７％）を装着した状態で、軟鋼の厚さ１０ｍｍの厚板からなるワークに対して酸素加工による切断を行い、そのワークから切断片を取り出すと、図５（ｂ）に示すように、バーニングを防止できたことが確認できた。

レーザ加工ヘッドにアパーチャを装着しない場合（比較例１、２の場合）、及びレーザ加工ヘッドにアパーチャ（レーザ光のカット率７％）を装着した場合（発明例１、２の場合）において、銅合金からなるワークに対してレーザ光の反射試験を行うと、図６に示すような結果を得ることができた。つまり、発明例１、２の場合の方が比較例１、２の場合に比べて反射光レベルを大幅に低減できることが確認できた。なお、比較例１及び発明例１においては、レーザ光の焦点位置がワークの上面よりも０．５ｍｍだけ高い位置になるように設定し、比較例２及び発明例２においては、レーザ光の焦点位置がワークの上面よりも０．５ｍｍだけ深い位置になるように設定した。

ＬＢ レーザ光
ＬＢｏ 外層部分
ＬＢ’ 反射光
Ｗ ワーク
Ｗａ 被切断部
１ ファイバレーザ加工機
３ ファイバレーザ発振器
５ 加工テーブル
１１ レーザ加工ヘッド
１３ 伝送ファイバ
１３ｅ 出射端
１５ 加工ヘッド本体
１７ 上部加工ヘッド本体
１９ 下部加工ヘッド本体
２１ ジャケット
２３ コネクタ
２５ ファイバホルダ
２７ ノズル
２９ ガス供給管
３１ ガスボンベ
３３ 上部レンズホルダ
３５ コリメートレンズ
３７ 下部レンズホルダ
３９ 集光レンズ
４１ アパーチャ
４１ａ 開口部
４１ｉ 内周面
４１ｍ 縁部
４３ 冷却水通路

Claims (4)

1. 軟鋼の厚さ６ｍｍ以上のワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うと共に、ステンレス等の厚さ３ｍｍ以下のワークに対して無酸化加工による高速切断を行うレーザ加工機において、
   レーザ発振器から発振されたレーザ光を伝送するための伝送ファイバの出射端に接続されたレーザ加工ヘッドを具備し、
   前記レーザ加工ヘッドは、
   前記伝送ファイバの出射端を保持するファイバ保持部を有し、先端側にレーザ光を照射可能かつアシストガスを噴射可能なノズルを有し、内部がアシストガスの供給源に接続可能な筒状の加工ヘッド本体と、
   前記加工ヘッド本体内に設けられ、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、
   前記加工ヘッド本体内における前記コリメートレンズと前記ノズルの間に設けられ、平行光に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記加工ヘッド本体内における前記ファイバ保持部と前記コリメートレンズとの間に設けられ、レーザ光を透過させるための円形の開口部を有し、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分を遮断するアパーチャと、を具備し、
   前記アパーチャの内周面は、前記アパーチャの内径がレーザ光の進行方向に向かって徐々に大きくなるテーパ形状を呈しており、前記アパーチャの内周面のテーパ角は、前記アパーチャの前記開口部を透過するレーザ光の広がり角よりも大きい角度に設定され、前記アパーチャの内径は、前記アパーチャによるレーザ光のカット率が２〜１０％になるように設定されていることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記アパーチャにおける前記開口部の前記ファイバ保持部側の周縁部分の断面が鋭角形状を呈するように、前記アパーチャにおける前記ファイバ保持部側の面に断面Ｖ字状の環状の反射溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記加工ヘッド本体の内周面と前記アパーチャの外周面との間に冷却水を循環させるための冷却水通路が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記レーザ発振器は、１μｍ帯の波長のレーザ光を発振するファイバレーザ発振器であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載のレーザ加工機。