JP6659745B2

JP6659745B2 - アシストガスを整流する機能を有するレーザ加工ヘッド

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Publication number: JP6659745B2
Application number: JP2018026089A
Authority: JP
Inventors: 貴士和泉
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: JP2019141860A; CN110170743A; CN110170743B; US20190255652A1; DE102019103248A1; US10814424B2

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに関し、特にアシストガスを整流する機能を有するレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工装置は、レーザ発振器で発生させたレーザ光を光ファイバ等で伝送し、レーザ加工ヘッドの内部に設けた集光レンズで被加工材に焦点を結ばせ、照射するように構成されている。集光レンズと被加工材との間には、被加工材の加工時に発生するスパッタ、ヒューム、粉塵等（以下、単に「粉塵」という。）から集光レンズを保護する保護ウインドが設けられている。また、レーザ加工ヘッドは、アシストガスを被加工材に吹付け、溶融した材料を吹飛ばす役割を担っており、レーザ加工ヘッドの先端には、アシストガスの流出口を有するノズルが設けられている。

本出願に関連する技術としては、例えば特許文献１〜４が公知である。特許文献１には、アシストガスに旋回流を生じさせるために、ノズル内周面にガスの流れをガイドするための螺旋状の突起を形成したレーザ加工ノズルが開示されている。斯かるノズルでは、アシストガスに積極的に旋回流が形成されるため、進行方向の左右で被加工物の表面に対する効果が異なるものの、進行方向の後方には、主ノズルに追随して移動する補助ノズルが設けられているため、被切断物の切断面全体に亘って良好な切断面を得ている。

特許文献２には、ノズル穴の内面に凹凸（螺旋形の溝、雌ねじ形の溝、環状の溝、顆粒状の突起部等。）が設けられたレーザ加工装置が開示されている。斯かるノズルでは、ノズル穴の内面付近を通過するアシストガスの流速が低下する一方で、ノズル穴の中央部でのみ高速に流れ、アシストガスの流速分布の最適化が図られている。

特許文献３には、ノズル孔の内壁において螺旋状の溝等を形成し、アシストガスの整流作用を持たせた構成が開示されている。斯かるノズルでは、ガスの流れが徐々に集中されるため、先端部での圧力損失が減り、アシストガスをノズル孔からスムーズに噴射できる。

特許文献４には、加工トーチ内に光軸と平行方向に延びる整流板を並べ、加工トーチ先端より吹出される補助ガス流に旋回流が発生しないようにした加工トーチが開示されている。斯かる加工トーチは、補助ガスの旋回方向と切断方向が一致する面では補助ガスが強く当たって切断面がえぐられる一方、反対方向の面では補助ガスが弱く当たって溶融した被加工物の除去が不十分となる課題を解決している。

実開平６−６６８８３号公報特開平８−１１８０６３号公報特開２０１１−８８１９５号公報特開平５−２２８６７９号公報

高圧のアシストガスを被加工材に吹付ける加工時には、ノズル先端から吹出すアシストガスの流れに偏りが生じてしまい、アシストガスが被加工材に均一に当たらず、レーザ加工の品質を低下させていた。しかしながら、ノズル先端におけるアシストガスの流れの偏りは、レーザ加工ヘッドの内部、特に保護ウインドとノズルとの間の空間を画定するチャンバ内における圧力の偏在に起因していることが分かった。

そこで、ノズルに導かれる前にアシストガスを整流してノズル先端から吹出すアシストガスの流れを均一化する技術が求められている。

本開示の一態様は、アシストガスを整流する機能を有するレーザ加工ヘッドであって、保護ウインドと、アシストガスを被加工材に吹付けるノズルと、保護ウインドとノズルとの間の空間を画定するチャンバと、チャンバ内に配置されていてアシストガスを流入する流入口と、流入口と対向する位置に配置されていて流入口からのアシストガスをレーザ光の光軸の周方向に沿って流れる第１流と第２流とに分流する分流突起と、を備える、レーザ加工ヘッドを提供する。

本開示によれば、アシストガスがチャンバの内壁に当たって乱流を発生させていた箇所に分流突起が設けられるため、アシストガスがレーザ光の光軸の周方向に整流される。整流されたアシストガスは流入口側に戻るため、流入口側が低圧にならず、チャンバ内の圧力の偏在が低減する。ひいては、ノズル先端から吹出すアシストガスに偏りが生じ難くなるため、アシストガスが被加工材に対して均等に当たり、レーザ加工の品質を向上させることができる。

一実施形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。第１実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図２Ａの断面Ａ−Ａに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。アシストガスの流入口から見た分流突起を示す正面図である。アシストガスの流入口から見た分流突起の変形例を示す正面図である。アシストガスの流入口から見た分流突起の変形例を示す正面図である。第２実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図３Ａの断面Ｂ−Ｂに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。第３実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図４Ａの断面Ｃ−Ｃに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。なお、本明細書における用語「上」及び「上流」は、順方向に進むレーザ光の経路における上流側を指し、用語「下」及び「下流」とは、順方向に進むレーザ光の経路における下流側を指す。

図１は、一実施形態におけるレーザ加工装置１０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光して被加工材１５に照射するレーザ加工ヘッド１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、加工テーブル１６のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の駆動並びに集光レンズ２４のＶ軸の駆動を制御する駆動制御装置１４と、を備えている。レーザ加工ヘッド１２は、中空円筒状のヘッド本体２０と、ヘッド本体２０に接続されていてアシストガスを流出口２１から被加工材１５に吹付けるノズル２２と、を備えている。

ヘッド本体２０は、レーザ発振器１１からのレーザ光を平行光にするコリメーションレンズ２３と、レーザ光を被加工材１５に集光する集光レンズ２４と、集光レンズ２４を粉塵から保護する保護ウインド２５と、を備えている。保護ウインド２５は、反射コーティングで表面処理したガラス材料等で形成されていて、集光レンズ２４に粉塵が付着しないようにヘッド本体２０の内壁を塞ぐ。保護ウインド２５は、レーザ光の光軸に対して垂直に配置されているが、レーザ光の光軸に対して１５度以上傾斜していてもよい。これにより、レーザ加工時に保護ウインド２５に向かって飛翔してくる粉塵の衝突角度が浅くなり、保護ウインド２５の汚れを抑制できる。

図２Ａは、第１実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図である。レーザ加工ヘッド１２はさらに、保護ウインド２５とノズル２２との間の空間を画定するチャンバ２６と、チャンバ２６内に配置されていてアシストガス３０を流入する流入口２７と、流入口２７と対向する位置に配置された分流突起２８と、を備えている。アシストガスの流入口２７の向きは、アシストガスの流出口２１の向きと直角を成している。アシストガス３０がチャンバ２６の内壁に当たって乱流を発生させていた箇所に分流突起２８が設けられるため、アシストガス３０の乱流が抑制される。

図２Ｂは、図２Ａの断面Ａ−Ａに対応するレーザ加工ヘッド１２の横断面図である。分流突起２８は、流入口２７に向かって先細るテーパ形状、例えば三角柱の形状を有している。分流突起２８は、アシストガス３０をレーザ光の光軸Ｏの周方向に沿って流れる第１流３１と第２流３２とに分流する。分流されたアシストガス３０は流入口２７側に戻るため、流入口２７側が低圧にならず、チャンバ内の圧力の偏在が低減する。ひいては、ノズル先端から吹出すアシストガスに偏りが生じ難くなるため、アシストガスが被加工材に対して均等に当たり、レーザ加工の品質を向上させることができる。

図２Ｂに示すように、流入口２７の中心位置２７ａと、レーザ光の光軸Ｏと、分流突起２８の先端位置２８ａとは、一直線上に並んでいることが好ましい。これにより、分流突起２８がアシストガス３０を左右に均等に分流するため、第１流３１及び第２流３２の流量比が１：１になり、チャンバ２６内の圧力を均等にすることができる。

図２Ａに示すように、流入口２７及び分流突起２８は、レーザ光の光軸Ｏと平行な方向において第１幅３３、３４をそれぞれ有しており、流入口２７の第１幅３３が分流突起２８の第１幅３４より小さく形成されていることが好ましい。これにより、流入口２７からのアシストガス３０の大部分が分流突起２８に当たるようになり、チャンバ２６内の乱流が抑制される。

図２Ｂに示すように、流入口２７及び分流突起２８は、レーザ光の光軸Ｏと直交する方向において第２幅３５、３６をそれぞれ有しており、流入口２７の第２幅３５が分流突起２８の第２幅３６より小さく形成されていることが好ましい。これにより、流入口２７からのアシストガス３０の大部分が分流突起２８に当たるようになり、チャンバ２６内の乱流が抑制される。

図２Ｃは、アシストガスの流入口２７から見た分流突起２８の正面図である。分流突起２８は、前述したように三角柱の形状を有しているため、アシストガスをレーザ光の光軸Ｏと垂直な周方向、即ち、右回りに流れる第１流３１と、左回り流れる第２流３２と、に分流する。分流されたアシストガスは、流入口側に戻った後、高圧なチャンバ内から低圧な流出口に向かって流れていく。また、第１流３１及び第２流３２の流量比が１：１になるように、第１流３１及び第２流３２が当たる分流突起２８の２つの面の面積比も１：１であることが好ましい。

図２Ｄは、アシストガスの流入口２７から見た分流突起２９の変形例を示す正面図である。分流突起２９は、ノズルの流出口に向かって先細るテーパ形状、例えば三角錐の形状を有していてもよい。分流突起２９は、アシストガスをレーザ光の光軸Ｏの周方向、即ち、右下回りに流れる第１流３７と、左下回りに流れる第２流３８と、に分流する。分流されたアシストガスは、下流に向かうように整流されるため、チャンバ２６内の乱流がより一層抑制される。また、第１流３７及び第２流３８の流量比が１：１になるように、第１流３７及び第２流３８が当たる分流突起２９の２つの面の面積比も１：１であることが好ましい。

図２Ｅは、アシストガスの流入口２７から見た分流突起５２の変形例を示す正面図である。分流突起５２は、流入口２７に向かって先細るテーパ形状、例えば上流側に頂点５５を有する四角錐の形状を有していてもよい。分流突起５２は、アシストガスをレーザ光の光軸Ｏの周方向、即ち、右下回りに流れる第１流５３と、左下回りに流れる第２流５４と、に分流するだけではなく、さらに下流側に流れる第９流５６に分流する。第１流５３、第２流５４、及び第９流５６の流量比は１：１：２であることが好ましい。また、第１流５３、第２流５４、及び第９流５６の流量比が１：１：２になるように、第１流５３、第２流５４、及び第９流５６が当たる分流突起５２の３つの面の面積比も１：１：２であることが好ましい。

図３Ａは第２実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図であり、図３Ｂは図３Ａの断面Ｂ−Ｂに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。以下では、第１実施形態におけるレーザ加工ヘッドとは異なる部分についてのみ説明し、同じ部分については説明を省略することに留意されたい。第２実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２は、前述した分流突起２９を備えるだけではなく、分流突起２９の両側においてレーザ光の光軸Ｏと平行に延在していて第１流３７及び第２流３８の少なくとも一部をノズル２２の流出口２１に向かう第３流４０及び第４流４１に整流する第１組の整流突起４２、４３を備えている。さらに、レーザ加工ヘッド１２は、第１組の整流突起４２、４３より流入口２７側に配置されていてレーザ光の光軸Ｏと平行に延在すると共に、第１流３７及び第２流３８の少なくとも一部をノズル２２の流出口２１に向かう第５流４４及び第６流４５に整流する第２組の整流突起４６、４７を備えている。さらに、レーザ加工ヘッド１２は、第２組の整流突起４６、４７より流入口２７側に配置されていてレーザ光の光軸Ｏと平行に延在すると共に、第１流３７及び第２流３８の少なくとも一部をノズル２２の流出口２１に向かう第７流４８及び第８流４９に整流する第３組の整流突起５０、５１を備えている。

図３Ａに示すように、第１組の整流突起４２、４３、第２組の整流突起４６、４７、及び第３組の整流突起５０、５１は、アシストガス３０がレーザ加工ヘッド１２の内部で旋回する動きを抑制し、アシストガス３０をノズル２２の流出口２１へ真っ直ぐに整流する。ノズル２２から吹出したアシストガスは、被加工材に対して概ね垂直に当たるため、被加工材に対するアシストガスの圧力低下が防止される。

図３Ｂに示すように、第１組の整流突起４２、４３、第２組の整流突起４６、４７、及び第３組の整流突起５０、５１は、レーザ光の光軸Ｏの周方向において均等に配置、例えば中心角４５度毎に配置されていることが好ましい。これにより、レーザ加工ヘッド１２の内部の圧力の偏在がより一層低減する。

図４Ａは第３実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図であり、図４Ｂは図４Ａの断面Ｃ−Ｃに対応するレーザ加工ヘッド１２の横断面図である。以下では、第２実施形態におけるレーザ加工ヘッドとは異なる部分についてのみ説明し、同じ部分については説明を省略することに留意されたい。第３実施形態における第１組の整流突起６２、６３、第２組の整流突起６６、６７、及び第３組の整流突起７０、７１は、ノズル２２の流出口２１に向かって先細るテーパ形状、例えば三角柱の形状を有している。これにより、アシストガス３０が下流に向かうように整流されるため、チャンバ２６内の乱流がより一層抑制される。

図４Ｂに示すように、第１組の整流突起６２、６３、第２組の整流突起６６、６７、及び第３組の整流突起７０、７１は、レーザ光の光軸Ｏに向かう方向において第３幅７２、７３、７４をそれぞれ有しており、第１組の整流突起６２、６３の第３幅７２が第２組の整流突起６６、６７の第３幅７３より小さく、第２組の整流突起６６、６７の第３幅７３が第３組の整流突起７０、７１の第３幅７４より小さいことが好ましい。これにより、分流突起２９によって分流された第１流３７及び第２流３８が第１組の整流突起６２、６３によって整流されなかったとしても第２組の整流突起６６、６７によって整流され、第２組の整流突起６６、６７によって整流されなかったとしても第３組の整流突起７０、７１によって整流されることとなる。即ち、第１流３７及び第２流３８の流量合計が第３流６０から第８流６９までの流量合計に等しくなるため、チャンバ２６内のアシストガスがより一層整流される。

図４Ａに示すように、ノズル２２は、円錐部分２２ａと、円錐部分２２ａに連結した円筒部分２２ｂと、を有し、円筒部分２２ｂにアシストガスの流出口２１が形成されていることが好ましい。円筒部分２２ｂはアシストガスをノズル２２の流出口２１から真っ直ぐに吹出すように整流するため、アシストガスが被加工材に対して概ね垂直に当たることとなり、レーザ加工の品質が向上する。

なお、前述した実施形態では、アシストガスの流出口２１の径がアシストガスの流入口２７の径より大きいが、他の実施形態では、アシストガスの流出口２１の径がアシストガスの流入口２７の径より小さい方が好ましい。これにより、ノズル２２から吹出すアシストガスの圧力が高まり、溶融した材料を吹飛ばす力が向上する。

前述したレーザ加工ヘッド１２によれば、アシストガス３０がチャンバ２６の内壁に当たって乱流を発生させていた箇所に分流突起２８、２９が設けられるため、アシストガス３０がレーザ光の光軸Ｏの周方向に整流される。整流されたアシストガス３０は流入口２７側に戻るため、流入口２７側が低圧にならず、チャンバ２６内の圧力の偏在が低減する。ひいては、ノズル先端から吹出すアシストガスに偏りが生じ難くなるため、アシストガスが被加工材に対して均等に当たり、レーザ加工の品質を向上させることができる。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１０レーザ加工装置
１１レーザ発振器
１２レーザ加工ヘッド
１３数値制御装置
１４駆動制御装置
１５被加工材
１６加工テーブル
２０ヘッド本体
２１流出口
２２ノズル
２３コリメーションレンズ
２４集光レンズ
２５保護ウインド
２６チャンバ
２７流入口
２７ａ流入口の中心位置
２８、２９、５２分流突起
２８ａ分流突起の先端位置
３０アシストガス
３１、３７、５３第１流
３２、３８、５４第２流
３３、３４第１幅
３５、３６第２幅
４０、６０第３流
４１、６１第４流
４２、４３、６２、６３第１組の整流突起
４４、６４第５流
４５、６５第６流
４６、４７、６６、６７第２組の整流突起
４８、６８第７流
４９、６９第８流
５５頂点
５６第９流
５０、５１、７０、７１第３組の整流突起
７２、７３、７４第３幅
Ｏ光軸

Claims

アシストガスを整流する機能を有するレーザ加工ヘッドであって、
保護ウインドと、
アシストガスを被加工材に吹付けるノズルと、
前記保護ウインドと前記ノズルとの間の空間を画定するチャンバと、
前記チャンバ内に配置されていて前記アシストガスを流入する流入口と、
前記流入口と対向する位置に配置されていて前記流入口からのアシストガスをレーザ光の光軸の周方向に沿って流れる第１流と第２流とに分流する分流突起と、
を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記流入口に向かって先細るテーパ形状を有する、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記ノズルの流出口に向かって先細るテーパ形状を有する、請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
さらに、前記分流突起の両側において前記レーザ光の光軸と平行に延在していて前記第１流及び前記第２流の少なくとも一部を前記ノズルの流出口に向かう第３流及び第４流に整流する第１組の整流突起を備える、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
さらに、前記第１組の整流突起より前記流入口側に配置されていて前記レーザ光の光軸と平行に延在すると共に、前記第１流及び前記第２流の少なくとも一部を前記ノズルの流出口に向かう第５流及び第６流に整流する第２組の整流突起を備える、請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
さらに、前記第２組の整流突起より前記流入口側に配置されていて前記レーザ光の光軸と平行に延在すると共に、前記第１流及び前記第２流の少なくとも一部を前記ノズルの流出口に向かう第７流及び第８流へ整流する第３組の整流突起を備える、請求項５に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１組の整流突起、前記第２組の整流突起、及び前記第３組の整流突起は、前記ノズルの流出口に向かって先細るテーパ形状を有する、請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１流及び前記第２流の流量比が１：１である、請求項１から７のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、上流側に頂点を有する四角錐の形状を有すると共に、さらに前記アシストガスを下流側に流れる第９流に分流し、前記第１流、前記第２流、及び前記第９流の流量比が１：１：２である、請求項６又は７に記載のレーザ加工ヘッド。
前記ノズルが、円錐部分と、前記円錐部分に連結した円筒部分と、を有しており、前記円筒部分に前記アシストガスの流出口が形成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記流入口の中心位置と、前記レーザ光の光軸と、前記分流突起の先端位置とが一直線上に並んでいる、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記流入口及び前記分流突起は、レーザ光の光軸と平行な方向において第１幅をそれぞれ有しており、前記流入口の第１幅が前記分流突起の第１幅より小さく形成されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記流入口及び前記分流突起は、レーザ光の光軸と直交する方向において第２幅をそれぞれ有しており、前記流入口の第２幅が前記分流突起の第２幅より小さく形成されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１組の整流突起、前記第２組の整流突起、及び前記第３組の整流突起は、レーザ光の光軸に向かう方向において第３幅をそれぞれ有しており、前記第１組の整流突起の第３幅が前記第２組の整流突起の第３幅より小さく、前記第２組の整流突起の第３幅が前記第３組の整流突起の第３幅より小さい、請求項６又は７に記載のレーザ加工ヘッド。
前記アシストガスの流出口の径が前記アシストガスの流入口の径より小さい、請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。