JP6756695B2 - 付加加工用ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を用いて付加加工を行うための付加加工用ヘッドに関する。
従来の一般的な付加加工用ヘッドは、加工部位にレーザ光を照射するとともに、当該レーザ光の焦点領域に粉末材料(一般的には粉末金属)を供給するように構成されており、レーザ光により粉末材料を溶融して徐々に積層することによって、当該加工部位に所望の形状を形成する。
この粉末材料の供給には、一般的に、レーザ光の焦点領域に粉末材料を導くように配設された供給管が用いられており、粉末材料はこの供給管を介して前記レーザ光の焦点領域に供給される。
ところで、一般的な付加加工用ヘッドの場合、加工部位に照射されるレーザ光は、その横断面形状が中実の円形をしているため、全ての粉末材料をレーザ光の焦点領域内に投入するのが困難で、供給される粉末材料の全てを完全に溶融させることができない場合があり、このため、溶融層の内部に欠陥を生じる、或いは緻密な溶融層を十分な厚さで形成することができないという問題があった。
そこで、このような問題を解消するために、従来、特開2003−266189号公報(下記特許文献1)に開示されるような付加加工用ヘッドが提案されている。この付加加工用ヘッドは、円錐外面鏡及び円錐内面鏡の組み合わせによって、レーザ光の横断面形状を中実円形から環状の円形に変換し、この円環状をしたレーザ光の環内に供給管の出口部分を配置して、当該円環状をしたレーザ光の焦点領域に粉末材料を供給するように構成されている。
斯くして、このように構成された特許文献1の付加加工用ヘッドによれば、円環状をしたレーザ光の当該円環内からその前記焦点領域に向けて粉末材料が供給されるので、材料粉末は溶融又は半溶融状態で加工部位に供給され、これにより、当該加工部位に、内部欠陥の無い、緻密な溶融層が十分な厚さで形成される。
特開2003−266189号公報
ところが、上述した特許文献1に開示される付加加工用ヘッドは、上記のような効果を奏するものの、その一方で、以下に説明するような問題があった。
即ち、上記特許文献1には、付加加工用ヘッドの一態様として、材料粉末を供給する供給管がレーザ光と交差するように配設され、その一端が前記粉末材料の供給タンクに接続され、他端が環状レーザ光の焦点領域に臨むように配置された態様のものが開示されているが、このような態様の付加加工用ヘッドの場合、供給管がレーザ光のエネルギによって加熱され、また、このような供給管の加熱によって、加工に供されるべきレーザ光のエネルギが失われるという問題があった。
一般的に、上記供給管には銅管が使用されているが、銅管の場合、レーザ光のエネルギを吸収し易く、このエネルギの吸収によって昇温され、その温度が約200℃を超えると酸化が促進されるという特性を有している。そして、銅管が酸化されると、酸化の度合いに応じてレーザ光のエネルギの吸収率が高まって、より高温に昇温され、最終的には銅の溶解温度にまで達して、当該供給管が破損することになる。また、銅の溶解温度に達しないまでも、供給する粉末材料が供給管内で溶融するといった問題を生じかねない。このような問題は、銅管を金メッキすることによって解決することができるが、供給管が高価なものになって、現実的ではない。
また、上記特許文献1には、前記粉末材料の供給タンク及び供給管の全てを円環状のレーザ光の内部に配設した態様も開示されているが、このような態様では、付加加工用ヘッドを必要以上に巨大化しなければならないため非現実的ではあるが、仮に、実現し得たとしても、採用し得る供給タンクの大きさには限界があり、これによって粉末材料の供給量が制限されるため、多様な付加加工には適さないという問題がある。
本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、供給管が加熱されるのを防止することができ、また、多様な付加加工を実現することができる付加加工用ヘッドの提供を、その目的とする。
上記課題を解決するための本発明は、
横断面が環状をしたレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を2つのレーザ光に分割する分割光学素子を備えたレーザ光分割機構部と、
前記レーザ光分割機構部によって分割された前記2つレーザ光を集光させる集光光学素子を備えたレーザ光集光機構部と、
その一端側が、前記2つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入された供給路であって、その端部が前記レーザ光集光機構部によって集光される前記レーザ光の集光部に開口する供給路を備え、該供給路を通じて前記レーザ光の集光部に材料粉末を供給する材料供給部とを設けて構成した付加加工用ヘッドに係る。
この付加加工用ヘッドによれば、まず、レーザ光照射部から横断面形状が環状をしたレーザ光が照射される。そして、照射された環状のレーザ光はレーザ光分割機構部の分割光学素子に導かれ、この分割光学素子によって2つのレーザ光に分割される。次に、分割された各レーザ光はレーザ光集光機構部の集光光学素子に導かれ、この集光光学素子によって集光される。
そして、レーザ光の集光部では、当該レーザ光のエネルギによって母材が溶融されるとともに、前記供給路の開口部から供給される粉末材料が当該レーザ光のエネルギによって溶融される。斯くして、当該付加用加工ヘッドを適宜方向の走査することで、母材と粉末材料とが相溶状態を形成しつつ、所望の付加形状が形成される。
その際、供給路は、その一端側が、2つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入されており、レーザ光に直接的に曝されていないので、当該供給路を銅管など、レーザ光のエネルギを吸収して昇温し易い材料から形成しても、当該銅管が昇温するといった従来のような問題は生じない。
また、この態様の付加加工用ヘッドでは、分割したレーザ光を元の形状に結合されるように集光させた状態、或いは、元の形状に結合させないで、分割したまま集光させた状態、或いは、分割した2つのレーザ光が重畳的に重なるように集光させた状態で付加加工することができる。このようにすることで集光させるレーザ光の幅寸法を調整することができ、調整されたレーザ光の幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッドを走査することで、形成される粉末材料の溶融層の幅を所望の幅に設定することができる。
また、本発明では、前記分割光学素子は、逆V字状をした山型の反射面を有する凸型ミラーから成り、
前記集光光学素子は、V字の溝状をした反射面を有する凹型ミラーから成り、該凹型ミラーは、前記凸型ミラーからレーザ光を受光するように配設され、
前記凸型ミラー及び凹型ミラーは、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光の光軸と平行になるように配設され、
前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を前記凸型ミラーの反射面により反射して、2つのレーザ光に分割するように構成され、
前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された2つのレーザ光を前記凹型ミラーの反射面により反射した後、集光させる態様を採ることができる。
或いは、本発明では、前記分割光学素子は、V字状をした横断面を有する凹型プリズムから成り、
前記集光光学素子は、逆V状をした横断面を有する凸型プリズムから成り、該凸型プリズムは、前記凹型プリズムからの前記レーザ光を受光するように配設され、
前記凹型プリズム及び凸型プリズムは、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光の光軸と平行になるように配設され、
前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を、前記凹型プリズムを透過させることによって2つのレーザ光に分割するように構成され、
前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された2つレーザ光を、前記凸型プリズムを透過させることによって集光させる態様を採ることができる。
また、本発明では、前記分割光学素子及び集光光学素子を、それぞれのV字条線を含む面と直交する方向に移動させて、前記レーザ光の分割比を調整する分割比調整機構部を設けることができる。
この態様によれば、レーザ光の分割比を所望の比率に調整するとともに、レーザ光を分割したままの状態で集光させることで、例えば、比率の大きい側に向けて当該付加加工用ヘッドを走査すると、進行方向の前側におけるレーザ光の割合が多くなるので、進行方向前側の母材を溶融させる効率を高めることができ、このようにすることで、後続位置に供給される粉末材料の溶融効率を高めることができる。
また、本発明では、前記分割光学素子と前記集光光学素子の少なくとも一方を、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の光軸と平行な方向に移動させて、前記分割光学素子と前記集光光学素子との間の光路長を調整する光路長調整機構部を設けることができる。
光路長調整機構部により、分割光学素子と集光光学素子との間の光路長を調整することで、集光光学素子によるレーザ光の集光状態を、容易に上述したような様々な態様、即ち、レーザ光を分割したまま集光させた態様、レーザ光を元の環状に結合されるように集光させた態様、及び2つのレーザ光が重畳的に重なるように集光させた態様とすることができる。
そして、例えば、2つのレーザ光を分割したまま集光させる態様とすることで、供給路の開口部をよりレーザ光の集光部に近づけることができ、更に、集光される2つのレーザ光の間隔を調整することによって、供給路の開口部を可及的にレーザ光の集光部に近づけることができる。そして、このようにすることで、材料粉末をレーザ光の集光部により正確に供給することができ、材料粉末のより効果的な使用を実現することができる。また、集光される2つレーザ光の間隔を調整することにより、上述したようなレーザ光の幅寸法の調整を行うことができる。
一方、2つのレーザ光を重畳的に重なるように集光させた態様では、レーザ光の焦点位置を加工部位の上方位置に設定することができ、このようにすることで、材料粉末が焦点位置を通過する際に溶融され、溶融された状態で加工部位に供給されるようにすることができる。
尚、本発明では、前記供給路は銅管などの管体から形成することができ、また、樹脂や金属からなるブロック状のものに、適宜通路を形成したものなど、レーザ光と干渉することなく当該レーザ光の集光部に開口すべく形成された全ての態様の供給路を含む。
また、環状のレーザ光は、その横断面形状に制限は無く、円形の環状の他、三角形の環状や矩形の環状など、多角形の環状を含む。
以上のように、本発明によれば、粉末材料の供給路が、2つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入されており、レーザ光に直接的に曝されていないので、当該供給路を銅管など、レーザ光のエネルギを吸収して昇温し易い材料から形成しても、当該銅管が昇温するといった従来のような問題は生じない。
また、本発明では、分割したレーザ光を元の環状に集光させる、或いは、分割したまま集光させる、或いは、重畳的に重なるように集光させることができ、このようにすることで集光させるレーザ光の幅寸法を調整することができる。そして、調整されたレーザ光の幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッドを走査することで、形成される粉末材料の溶融層の幅を所望の幅に設定することができる。
本発明の一実施形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 図1における矢示A方向から見た説明図である。 本実施形態におけるレーザ光の分割比の調整について説明するための説明図である。 本実施形態の付加加工について説明するための説明図である。 本実施形態の付加加工について説明するための説明図である。 本発明の他の形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 本発明の他の形態に係る付加加工用ヘッドの概略構成を示した説明図である。 図7における矢示H方向から見た説明図である。
以下、本発明の一具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1及び2に示すように、本例の付加加工用ヘッド1は、レーザ光照射部2、レーザ光分割機構部10、レーザ光集光機構部15、材料供給部25、分割比調整機構部30、光路長調整機構部35、及び筐体であるカバー体20などから構成される。
前記レーザ光照射部2は、順次下方に向けて配設された光ファイバ3、コリメーションレンズ4、第1アキシコンレンズ5、球面レンズ6及び第2アキシコンレンズ7から構成される。光ファイバ3は、レーザ発振器(図示せず)から照射されたレーザ光を伝送する光学伝送路(図示せず)に接続されており、当該レーザ発振器(図示せず)から照射されたレーザ光をその開口部から照射する。そして、光ファイバ3から照射されたレーザ光Lは、コリメーションレンズ4によって横断面が中実の円形をした平行光に変換される。
前記第1アキシコンレンズ5及び第2アキシコンレンズ7は、それぞれ一方面5a,7aが平面形状を有し、他方面5b,7bが円錐形状を有するレンズで、円錐面5b,7b側が対向するように同軸に配設され、第1アキシコンレンズ5と第2アキシコンレンズ7との間には前記球面レンズ6が配設される。斯くして、コリメーションレンズ4によって横断面が中実の円形をした平行光に変換されたレーザ光Lは、第1アキシコンレンズ5,球面レンズ6及び第2アキシコンレンズ7を順次透過することによって横断面が円環状をしたレーザ光Lに変換される。
前記レーザ光分割機構部10は、分割光学素子として、逆V字状をした山型の反射面を有する凸型ミラー11を備え、前記第2アキシコンレンズ7を透過して照射された横断面が円環状のレーザ光Lを前記凸型ミラー11の反射面により反射することによって、2つの円弧状をしたレーザ光Lに分割する(図3参照)。尚、この凸型ミラー11は、図示しない適宜支持部材によって、前記第2アキシコンレンズ7から照射されるレーザ光Lの光軸と直交する矢示B−C方向、及びを当該レーザ光Lの光軸と平行な上下方向である矢示D−E方向に移動可能、更に、当該レーザ光Lの光軸と直交する前記矢示B−C方向と平行な軸を中心として矢示F−G方向に回転可能に支持されている。
前記レーザ光集光機構部15は、集光光学素子として、V字の溝状をした反射面を有する凹型ミラー16、第1集光レンズ17、第2集光レンズ18及び保護レンズ19を備えて構成される。
前記凹型ミラー16は、前記凸型ミラー11によって反射されたレーザ光Lを受光する位置に配設されるとともに、これら凸型ミラー11及び凹型ミラー16は、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光Lの光軸と平行になるように配設されている。この凹型ミラー16は、前記凸型ミラー11によって2つの円弧状に分割されたレーザ光Lを、そのV字状をした凹型の反射面により反射することによって、両レーザ光Lが近づくように集光させる作用を成すもので、前記凸型ミラー11と同様に、図示しない適宜支持部材によって、前記第2アキシコンレンズ7から照射されるレーザ光Lの光軸と直交する矢示B−C方向に移動可能に支持されている。
前記第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18は、前記凹型ミラー16によって反射されたレーザ光Lを、カバー体20に形成された開口部20aを通して、ワークWの加工部位Wa上に集光させる作用を成す。また、カバー体20の内部構造を詳しく図示していないが、前記保護レンズ19は、カバー体20内に配設される、少なくともコリメーションレンズ4、第1及び第2アキシコンレンズ5,7、球面レンズ6、凸型ミラー11、凹型ミラー16、第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18を外部雰囲気から隔離して保護する役割を成す。
前記分割比調整機構部30は、前記凸型ミラー11を矢示B−C方向に移動させる第1横移動部31と、前記凹型ミラー16を矢示B−C方向に移動させる第2横移動部32と、これらの動作を制御する制御部33とから構成される。第1横移動部31は、矢示B−C方向と平行に配設され、且つ前記凸型ミラー11に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。また、第2横移動部32も同様に、矢示B−C方向と平行に配設され、且つ前記凹型ミラー16に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。そして、前記制御部33は、第1横移動部31及び第2横移動部32のモータをそれぞれ制御することによって凸型ミラー11及び凹型ミラー16を同期させて矢示B−C方向に移動させる。
前記光路長調整機構部35は、前記凸型ミラー11を矢示D−E方向に昇降させる昇降部36、当該凸型ミラー11を矢示F−G方向に回転させる回転部37、並びに昇降部36及び回転部37の動作を制御する制御部38から構成される。昇降部36は、前記凸型ミラー11の矢示F−G方向への回転を許容するように、当該凸型ミラー11に対して回転自在に接続されたねじ軸と、このねじ軸に螺合した状態で適宜固設されるナットと、前記ねじ軸を回転させるモータとから構成される。また、回転部37は凸型ミラー11を矢示F−G方向に回転させるモータを備えて構成される。そして、前記制御部38は、昇降部36のモータを制御することによって凸型ミラー11を矢示D−E方向に昇降させ、回転部37のモータを制御することによって凸型ミラー11を矢示F−G方向に回転させる。尚、前記制御部33及び38は一つの制御装置40に組み込まれている。
前記材料供給部25は、粉末材料を供給する材料供給部(図示せず)と、この材料供給部(図示せず)に接続された供給管26から構成される。前記材料供給部(図示せず)に接続された供給管26は、前記凸型ミラー11により2つに分割されたレーザ光L,L間を通るように前記凹型ミラー16を貫通するとともに、前記第1集光レンズ17、第2集光レンズ18及び保護レンズ19をそれぞれ貫通して、その端部がワークWの加工部位Waに集光されるレーザ光Lの当該集光部と対向する位置に配置されており、当該端部の開口から、前記レーザ光Lの集光部に粉末材料を供給する。尚、供給管26が貫通する凹型ミラー16の貫通孔16aは、当該凹型ミラー16が矢示B−C方向に移動可能となるように長孔に形成されている(図3参照)。
また、前記カバー体20内には、少なくともレーザ光照射部2、レーザ光分割機構部10及びレーザ光集光機構部15を構成する光学系の構成要素、並びに供給管26の一部が格納されている。
以上の構成を備えた本例の付加加工用ヘッド1によれば、以下のようにして、付加加工が実行される。尚、ワークWの材質については必要に応じて適宜設定されるが、本例では、金属の板材をワークWとして用いる。また、材料粉末としては、ステンレス、チタン合金、インコネル(登録商標)などの粉末を用いることができる。更に、材料供給部25によって供給される材料としては、前記粉末材料の他に、ワイヤ状の材料を用いることができる。
本例の付加加工用ヘッド1によれば、まず、レーザ光照射部2の光ファイバ3からレーザ光Lが照射され、照射されたレーザ光Lはコリメーションレンズ4、第1アキシコンレンズ5、球面レンズ6及び第2アキシコンレンズ7を順次透過することによって横断面が円環状をしたレーザ光Lに変換される。
横断面が円環状に変換されたレーザ光Lは、次に、凸型ミラー11の反射面により反射されることによって、図3に示すように、2つの円弧状をしたレーザ光Lに分割され、ついで、分割されたレーザ光Lは凹型ミラー16により反射されることによって、分割された状態から両レーザ光Lが近づくように集光され、ついで、第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18を透過することによって更に集光された後、保護レンズ19を透過し、カバー体20の開口部20aを経て、ワークWの加工部位Wa上に結像される。斯くして、ワークWの加工部位Wa(母材)は結像されるレーザ光Lのエネルギによって溶融状態となる。
一方、ワークWの加工部位Wa上には、供給管26から粉末材料が供給されており、この粉末材料もレーザ光Lのエネルギによって溶融状態となり、母材と粉末材料とが相溶状態となるメルトプールが形成される。
斯くして、このような状態で、付加加工用ヘッド1を適宜方向に走査することで順次加工部位Waが走査方向に移動し、当該加工部位Wa上に粉末材料の溶融体が積層、付加され、これによって所望の付加形状が形成される。
そして、本例の付加加工用ヘッド1では、前記供給管26が、前記凸型ミラー11により2つに分割されたレーザ光L,L間を通るように前記凹型ミラー16を貫通して、該レーザ光Lと干渉することなく当該レーザ光L,L間に導入され、前記第1集光レンズ17、第2集光レンズ18及び保護レンズ19をそれぞれ貫通して、その端部がワークWの加工部位Waと対向する位置に配置されており、レーザ光Lには直接的に曝されていないので、当該供給管26に、銅管など、レーザ光Lのエネルギを吸収して昇温し易い材料の管を用いても、当該供給管26が昇温するといった従来のような問題は生じない。
また、本例の付加加工用ヘッド1では、制御部33による制御の下で、前記分割比調整機構部30の第1横移動部31及び第2緯移動部32により、凸型ミラー11及び凹型ミラー16を同期させて矢示B−C方向に移動させることで、図3に示すように、レーザ光Lの分割比を所望の比率に調整することができる。図3(a)は、レーザ光Lの光軸と凸型ミラー11及び凹型ミラー16のV字条線が同一平面内に在る場合を示しており、この場合には、レーザ光Lは均等に2分割される。また、図3(b)は、凸型ミラー11及び凹型ミラー16をレーザ光Lの光軸に対して矢示B方向に移動させた状態を示しており、この場合には、レーザ光Lは矢示B側が反対側より小さな円弧となるように分割される。また、図3(c)は、凸型ミラー11及び凹型ミラー16をレーザ光Lの光軸に対して矢示C方向に移動させた状態を示しており、この場合には、レーザ光Lは矢示C側が反対側より小さな円弧となるように分割される。
そして、図3(b)及び(c)に示すように、どちらかが大きな比率の円弧となるようにレーザ光Lを分割するとともに、レーザ光Lが分割されたままワークWの加工部位Waに集光(結像)されるようにし、この状態で、図4に示すように、付加加工用ヘッド1を比率の大きい円弧側に向けて走査すると、進行方向の前側におけるレーザ光Lの割合が多くなるので、当該進行方向前側における母材の溶融効率が高められて、より多くの溶融体(メルトプール)を形成することができ、このようにすることで、後続位置に供給される粉末材料の溶融効率を高めることができる。尚、図4において、符号Pは粉末材料が供給される位置を示しており、符号Wbは付加加工によって形成(積層)された付加層を示している。
また、同図4に示すように、進行方向後側の分割比率を小さくすることで、溶融体を徐々に冷却することができ、付加層Wbにおいて求められる組織が徐冷を必要とする場合には、このような態様を採ることで、求める組織を得ることができる。
また、レーザ光Lを分割したままワークWの加工部位Waに集光させることで、図4に示すように、粉末材料及び母材が溶融した状態の領域を付加加工用ヘッド1の走査方向に沿って長く設定することができるので、その分割比率に拘わらず、粉末材料の凝集等に起因した残留気孔の解消(消失)や、粉末材料の完全な溶融化等を図ることができ、これにより、付加層Wbの表面粗さの改善や内部組織の改善を図ることができる。
本例の付加加工用ヘッド1では、光路長調整機構部35により、凸型ミラー11から凹型ミラー16に至るレーザ光Lの光路長を調整することで、ワークWの加工部位Wa上に集光(結像)されるレーザ光Lの集光状態を、図5に示すように変更することができる。図5(a)には、分割されたレーザ光Lが元の円環状に結合された例を示している。図5(b)には、図5(a)の状態から光路長を長くすることによって、レーザ光Lが分割したままの状態で集光される例を示している。また、図5(c)には、図5(a)の状態から光路長を短くすることによって、2つのレーザ光Lが重畳的に重なるように集光される例を示している。
レーザ光Lの光路を長くするには、制御部38による制御の下で昇降部36により凸型ミラー11を矢示E方向に降下させると共に、回転部37により凸型ミラー11を矢示G方向に回転させて、当該レーザ光Lを加工部位Wa上に集光させる。一方、レーザ光Lの光路を短くするには、制御部38による制御の下で、昇降部36によって凸型ミラー11を矢示D方向に上昇させると共に、回転部37によって凸型ミラー11を矢示F方向に回転させて、当該レーザ光Lを加工部位Wa上に集光させる。
斯くして、2つのレーザ光Lを分割したまま集光させる態様とすることで、供給管26の端部(開口部)をよりレーザ光Lの集光部(加工部位Wa)に近づけることができ、更にその集光される2つレーザ光Lの間隔を調整することによって、当該供給管26の端部を可及的にレーザ光Lの集光部(加工部位Wa)に近づけることができ、このようにすることで、材料粉末をレーザ光Lの集光部により正確に供給することができ、材料粉末のより効果的な使用を実現することができる。
また、このように、集光される2つレーザ光Lの間隔を調整することにより、レーザ光Lの幅寸法を調整することができ、図5に示すように、調整されたレーザ光Lの幅方向と直交する方向に当該付加加工用ヘッド1を走査することで、形成される付加層Wbの幅を所望の幅に設定することができる。例えば、図5(b)に示した例では、図5(a)に示したものに比べて、幅広の付加層Wbを得ることができ、大きな付加加工形状を得る場合に、これを迅速、且つ効率的に得ることができる。また、図5(c)に示した例では、図5(a)に示したものに比べて、幅の狭い付加層Wbを得ることができ、微細な付加加工形状を得ることができる。尚、図5においても、符号Pは粉末材料の供給位置を示しており、予定される付加層Wbの幅に応じて粉末材料の供給量が調整される。
また、2つのレーザ光Lが重畳的に重なるように集光させた態様では、レーザ光Lの焦点位置を加工部位Waの上方位置に設定することができ、このようにすることで、供給管26から供給される材料粉末は焦点位置を通過する際に溶融され、溶融状態で加工部位Waに供給される。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明が採り得る具体的な態様は、何らこれに限定されるものではない。
例えば、本発明は、図6に示した態様を採ることができる。この付加加工用ヘッド1’は、レーザ光L集光機構部15’の凹型ミラー16’及び材料供給部25’の供給管26’が上述した付加加工用ヘッド1の凹型ミラー16及びの供給管26と異なるものであり、他の構成については、付加加工用ヘッド1と同一である。したがって、図6では、付加加工用ヘッド1と同一の構成物については同一の符号を付している。
図6に示した付加加工用ヘッド1’は、供給管26’が凹型ミラー16’を貫通しないように配設された構成を備えるもので、当該供給管26’は、凹型ミラー16’と凸型ミラー11との間の、当該凹型ミラー16’の近傍から、凸型ミラー11によって2つに分割されたレーザ光L,L間を通って、当該レーザ光Lと干渉することなく、当該レーザ光L,L間に導入されており、図6に示す如く、2カ所で屈曲されてその下端部が前記加工部位Waに臨んでいる。
このように配設された供給管26’によっても、レーザ光Lに直接に曝されていないので、レーザ光Lのエネルギを吸収して昇温するといった従来のような問題は生じない。尚、この態様の供給管26’では、屈曲部に適宜管継手を用いることができる。
また、粉末材料を供給するための供給路は、上述した供給管26,26’から形成されるものに限られず、樹脂や金属からなるブロック状のものに、適宜通路を形成したものでも良い。要は、供給路は、レーザ光Lと干渉することなく当該レーザ光Lの集光部(加工部位Wa)に開口すべく形成されていれば良い。
また、本発明は、図7及び図8に示した態様を採ることができる。この付加加工用ヘッド1”は、レーザ光分割機構10”及びレーザ光集光機構部15”の構成が上述した付加加工用ヘッド1と異なる。したがって、図7及び図8では、付加加工用ヘッド1と同一の構成物については同一の符号を付し、以下では、その詳しい説明を省略する。
前記レーザ光分割機構部10”は、前記第2アキシコンレンズ7の下方に、分割光学素子として、横断面がV字状をした凹型プリズム11”、及びこの凹型プリズム11”の下方に設けられたミラー12を備えている。凹型プリズム11”は、第2アキシコンレンズ7を透過して照射された横断面が円環状のレーザ光Lを、2つの円弧状のレーザ光Lに分割して透過する(図3参照)。そして、ミラー12は分割されたレーザ光Lをレーザ光集光機構部15”に向けて水平に反射する。
前記レーザ光集光機構部15”は、集光光学素子として、前記ミラー12に対して対向するように設けられたミラー21、及びこのミラー21の下方に設けられた横断面が逆V状を有する凸型プリズム16”を備えている。凹型プリズム11”と凸型プリズム16”とは、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光Lの光軸と平行になるように配設されている。
また、前記ミラー21の中心部には貫通孔21aが穿孔され、同様に、凸型プリズム16”の中心部には、V字の条線と直交するように貫通孔である長孔16”aが穿孔されている。そして、これら貫通孔21a及び長孔16”aを貫通するように前記供給管26が設けられている。
斯くして、前記ミラー12によって反射された2つのレーザ光Lはミラー21によって下方の凸型プリズム16”に向けて反射され、2つのレーザ光Lは当該凸型プリズム16”を透過することによって、相互に近づくように集光され、ついで前記第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18を透過することにより更に集光された後、保護レンズ19を透過し、カバー体20の開口部20aを経て、ワークWの加工部位Wa上に結像される。
また、凹型プリズム11”及び凸型プリズム16”は、それぞれ図示しない適宜支持部材によって、前記第2アキシコンレンズ7から照射されるレーザ光Lの光軸と直交する矢示B−C方向に移動可能に支持されており、凹型プリズム11”は第1横移動部31によって矢示B−C方向に移動し、凸型プリズム16”は第2横移動部32によって矢示B−C方向に移動する。
また、ミラー12は、前記第2アキシコンレンズ7から照射されるレーザ光Lの光軸と平行な上下方向である矢示D−E方向に移動可能、更に、当該レーザ光Lの光軸と直交する前記矢示B−C方向と平行な軸を中心として矢示F−G方向に回転可能に支持されており、昇降部36によって矢示D−E方向に移動し、回転部37によって矢示F−G方向に回転する。
斯くして、この付加加工用ヘッド1”においても、上述した付加加工用ヘッド1と同様の効果が奏される。
また、上例の付加加工用ヘッド1,1’では、光路長調整機構部35によって、凸型ミラー11を矢示D−E方向に昇降させるとともに、矢示F−G方向に回転させるようにしたが、これに限られるものではなく、凹型ミラー16を矢示D−E方向に昇降させるとともに、矢示F−G方向に回転させるようにしても良く、或いは、凸型ミラー11及び凹型ミラー16の双方を矢示D−E方向に昇降させるとともに、矢示F−G方向に回転させるようにしても良い。このようにしても、集光されるレーザ光Lの幅を調整することができ、これにより付加層の幅を調整することができる。また、凸型ミラー11及び凹型ミラー16の双方を矢示F−G方向に回転させるようにして、第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18にレーザ光Lが垂直に入射するように調整しても良い。
同様に、上例の付加加工用ヘッド1”において、光路長調整機構部35によって、ミラー21を矢示D−E方向に昇降させるとともに、矢示F−G方向に回転させるようにしても良く、或いは、ミラー12及びミラー21の双方を矢示D−E方向に昇降させるとともに、矢示F−G方向に回転させるようにしても良い。このようにしても、集光されるレーザ光Lの幅を調整することができ、これにより付加層の幅を調整することができる。また、ミラー12及びミラー21の双方を矢示F−G方向に回転させるようにして、第1集光レンズ17及び第2集光レンズ18にレーザ光Lが垂直に入射するように調整しても良い。
また、上例の付加加工用ヘッド1”において、前記凹型プリズム11”の上方又は下方に、そのV字の条線が互いに交差(例えば直交)するように、更に、凹型プリズム11”を配設しても良い。これにより、上下2つの凹型プリズム11”を透過する際に、レーザ光Lが4つに分割して拡大することができ、更には、2つの凹型プリズム11”をそのV字条線が直交するように配設することで、レーザ光Lを四方に均等に分割して拡大させることができる。そして、このようにすることで、付加層Wbの幅を可変にすることができる。
また、上例では、横断面形状が円環状のレーザ光Lとしたが、横断面形状はこれに限られるものではなく、三角形の環状や矩形の環状など、多角形の環状をしたレーザ光であっても良い。
1 付加加工用ヘッド
2 レーザ光照射部
3 光ファイバ
4 コリメーションレンズ
5 第1アキシコンレンズ
6 球面レンズ
7 第2アキシコンレンズ
10 レーザ光分割機構部
11 凸型ミラー
15 レーザ光集光機構部
16 凹型ミラー
17 第1集光レンズ
18 第2集光レンズ
19 保護レンズ
20 カバー体
20a 開口部
25 材料供給部
26 供給管
30 分割比調整機構部
31 第1横移動部
32 第2横移動部
33 制御部
35 光路長調整機構部
36 昇降部
37 回転部
38 制御部
40 制御装置

Claims (3)

  1. 横断面が環状をしたレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
    前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を2つのレーザ光に分割する分割光学素子を備えたレーザ光分割機構部と、
    前記レーザ光分割機構部によって分割された前記2つレーザ光を集光させる集光光学素子を備えたレーザ光集光機構部と、
    その一端側が、前記2つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入された供給路であって、その端部が前記レーザ光集光機構部によって集光される前記レーザ光の集光部に開口する供給路を備え、該供給路を通じて前記レーザ光の集光部に材料粉末を供給する材料供給部とを備えて構成され、
    前記分割光学素子は、逆V字状をした山型の反射面を有する凸型ミラーから成り、
    前記集光光学素子は、V字の溝状をした反射面を有する凹型ミラーから成り、該凹型ミラーは、前記凸型ミラーからレーザ光を受光するように配設され、
    前記凸型ミラー及び凹型ミラーは、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面がレーザ光の光軸と平行になるように配設され、
    前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を前記凸型ミラーの反射面により反射して、2つのレーザ光に分割するように構成され、
    前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された2つのレーザ光を前記凹型ミラーの反射面により反射した後、集光させるように構成され、
    更に、前記分割光学素子と前記集光光学素子の少なくとも一方を、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の光軸と平行な方向に移動させて、前記分割光学素子と前記集光光学素子との間の光路長を調整する光路長調整機構部を備えていることを特徴とする付加加工用ヘッド。
  2. 横断面が環状をしたレーザ光を照射するレーザ光照射部と、
    前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を2つのレーザ光に分割する分割光学素子を備えたレーザ光分割機構部と、
    前記レーザ光分割機構部によって分割された前記2つレーザ光を集光させる集光光学素子を備えたレーザ光集光機構部と、
    その一端側が、前記2つに分割されたレーザ光間を通して、該レーザ光と干渉することなく、該レーザ光間に導入された供給路であって、その端部が前記レーザ光集光機構部によって集光される前記レーザ光の集光部に開口する供給路を備え、該供給路を通じて前記レーザ光の集光部に材料粉末を供給する材料供給部とを備えて構成され、
    前記分割光学素子は、V字状をした横断面を有する凹型プリズムから成り、
    前記集光光学素子は、逆V状をした横断面を有する凸型プリズムから成り、該凸型プリズムは、前記凹型プリズムからの前記レーザ光を受光するように配設され、
    前記凹型プリズム及び凸型プリズムは、それぞれのV字条線が同一平面内に位置し、且つ該平面が前記レーザ光の光軸と平行になるように配設され、
    前記レーザ光分割機構部は、前記レーザ光照射部から照射された環状のレーザ光を、前記凹型プリズムを透過させることによって2つのレーザ光に分割するように構成され、
    前記レーザ光集光機構部は、前記レーザ光分割機構部によって分割された2つレーザ光を、前記凸型プリズムを透過させることによって集光させるように構成され
    更に、前記分割光学素子と前記集光光学素子の少なくとも一方を、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の光軸と平行な方向に移動させて、前記分割光学素子と前記集光光学素子との間の光路長を調整する光路長調整機構部を備えていることを特徴とする付加加工用ヘッド。
  3. 前記分割光学素子及び集光光学素子を、それぞれのV字条線を含む面と直交する方向に移動させて、前記レーザ光の分割比を調整する分割比調整機構部を設けたことを特徴とする請求項又は記載の付加加工用ヘッド。
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