JP6808459B2

JP6808459B2 - レーザ加工装置

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Publication number: JP6808459B2
Application number: JP2016230877A
Authority: JP
Inventors: 毅大多和; 繁志高島; 西　修一; 修一西
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: JP2018086667A

Description

本発明は、レーザ光を用いて被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

上述したレーザ加工装置として、従来、下記特許文献１に開示されたものが知られている。このレーザ加工装置は、レーザ発振器から発振されたレーザビームを、光学系部材を用いてレーザ加工ヘッドに導入し、導入したレーザビームをレーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズにより集光してワークに照射することで、当該ワークに対してレーザ加工を行うというものである。

前記レーザ加工ヘッドの先端部には、アシストガスが供給されるチャンバーとしてのハウジングが設けられ、このハウジング内には、前記集光レンズを装着したレンズホルダが配設されるともに、この集光レンズよりも加工点側に、フィルタを装着したフィルタホルダが配設されており、前記集光レンズとフィルタとの間が気密室に形成されている。

この気密室は、その圧力及び温度が圧力センサ及び温度センサによってそれぞれ検出されるようになっており、また、前記各センサにより検出される圧力及び温度を基に、圧力・温度調節装置によって、その圧力及び温度が一定となるように制御される。

また、ハウジングの前記集光レンズよりも上流側の外壁には、前記チャンバー内にアシストガスを供給するための供給管が設けられており、この供給管を経て前記チャンバー内に供給されるアシストガスは、レンズホルダの周囲を冷却しながらワークに向けて噴射される。

以上の構成を備えた従来のレーザ加工装置によれば、以下のような効果が奏されるとのことである。即ち、レーザ加工中にスパッタ等の粉塵が跳ね返ってレーザ加工ヘッド内に進入しても集光レンズはフィルタにより保護されるので、粉塵が集光レンズの表面に付着せず、集光レンズの寿命を長くすることができ、ランニングコストの軽減を図ることができる。また、レーザ加工中にアシストガスの圧力が変動しても、集光レンズはフィルタ、及び集光レンズとフィルタとの間に形成した気密室により保護されているので、アシストガスの影響を受け難く、集光レンズの焦点位置の変動が軽減されるため、安定したレーザ加工を行うことができる。

尚、前記フィルタの材質について、下記特許文献１には詳しく述べられていないが、当該フィルタは透光性を有している必要がある他、高熱のスパッタ等に対する耐熱性を有している必要があり、一般的にはガラス等が適用されている。

特許第３７８９９９９号公報

ところが、上述した従来のレーザ加工装置は、上記の如き効果を奏するとは言うものの、依然として、以下に説明するような問題を抱えていた。

即ち、上述したように従来のレーザ加工装置では、集光レンズと加工点との間のレーザ光路にフィルタ（保護部材）を設け、スパッタ等の粉塵が集光レンズに付着するのを、この保護部材によって防止するようにしているが、その一方で当該保護部材には、スパッタ等の粉塵が付着して堆積することになる。そして、保護部材はレーザ光路に設けられているので、当該保護部材に付着した粉塵にはレーザ光が照射され、この結果、当該粉塵はレーザ光によって加熱されることになる。斯くして、その加熱温度が保護部材の耐熱温度を超えると、当該保護部材が溶損（破損）する事態に至るのである。

また、保護部材は高温のスパッタに曝されることから、当該スパッタにより熱衝撃を受け易く、このような熱衝撃によって破損する可能性がある。また、保護部材が、周囲の部材との熱膨張の差によって外力を受け、このような外力によって破損する可能性も否定できない。

そして、上述した従来のレーザ加工装置において、前記保護部材が破損すると、破損した部分からスパッタ等の粉塵が侵入し、侵入した粉塵が集光レンズに付着することになるため、集光レンズの寿命が短くなるという問題や、集光レンズが加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じる。

したがって、前記保護部材が破損した場合には、これをいち早く検出して、破損した保護部材を交換する等の措置を講ずる必要があるが、上述した従来のレーザ加工装置では、前記保護部材の破損を検出することができなかった。

本発明は、以上の実情に鑑みなされたものであって、保護部材が破損したことを迅速に検出することができ、また、その破損時に迅速かつ適切な対応が可能なレーザ加工装置の提供を、その目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、
レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射するレーザ照射ヘッドと、前記レーザ発振器を制御する制御部とを備え、
前記レーザ照射ヘッドは、一方から他方に貫通した空間である光学路を有し、該光学路の一方の開口はレーザ光を導入する導入口となり、該光学路の他方の開口はレーザ光を照射するノズル口となったハウジングと、透光性を有し、前記光学路を形成する空間を遮断するように前記ハウジング内に設けられ、前記導入口から導入されるレーザ光を集光して、前記ノズル口から照射する集光レンズとを備えて構成されるレーザ加工装置であって、
前記集光レンズと前記ノズル口との間に、前記光学路を形成する空間を遮断するように配設された透光性を有する保護部材と、
前記集光レンズと前記保護部材との間の前記光学路に通じる供給路を有し、該供給路を通してチェックガスを供給するチェックガス供給部と、
前記供給路内を流通する前記チェックガスの流量を検出するガス流量計と、
前記ガス流量計により検出される前記チェックガス流量の変動に基づいて前記保護部材の破損を検出する破損検出部とを備えたレーザ加工装置に係る。

このレーザ加工装置によれば、前記レーザ発振器から出力されたレーザ光がレーザ照射ヘッドの導入口に導入される。そして、導入口から導入されたレーザ光は集光レンズにより集光されて、ノズル口から外部に照射される。被加工物は前記ノズル口と対向するように配設されており、レーザ照射ヘッドのノズル口から照射されるレーザ光により、前記被加工物に対してレーザ加工が行われる。

上述したように、レーザ照射ヘッドの前記集光レンズと前記ノズル口との間には、前記光学路を形成する空間を遮断するように保護部材が設けられており、前記チェックガス供給部により、前記集光レンズと前記保護部材との間の光学路に、前記供給路を介してチェックガスが供給される。そして、供給路内を流通するチェックガスの流量がガス流量計によって検出され、このチェックガス流量の変動に基づいて、前記保護部材の破損が前記破損検出部によって検出される。

保護部材に破損がない場合には、集光レンズと保護部材との間の光学路に供給されるチェックガスは、他に漏れ出すことが殆ど無いため、前記供給路内におけるチェックガスの流量は殆ど無く、したがって、この状態では、前記ガス流量計によって検出されるチェックガスの流量は殆ど無い。一方、保護部材に破損を生じると、集光レンズと保護部材との間の光学路に供給されたチェックガスは、当該破損部から外部に漏出するため、この漏出分だけ、前記供給路内においてチェックガスが流通し、これが前記ガス流量計によって検出されることになる。したがって、前記破損検出部は、ガス流量計によって検出されるチェックガスの流量を監視し、検出されるチェックガスの流量の変動値が、予め定めた基準値を超えたとき、保護部材に破損が生じたと判断することができる。

斯くして、本発明に係るレーザ加工装置によれば、前記保護部材が破損した場合に、前記破損検出部によってこれを迅速に検出することができ、このため、破損した保護部材を交換するなどの措置を迅速に採ることができる。したがって、集光レンズに粉塵等が付着するのを防止することができ、その結果、集光レンズの寿命が短くなるという問題や、集光レンズが加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じるのを防止することができる。尚、本発明における前記保護部材には、一般的にはガラスが用いられるが、これに限定されるものではない。一例を挙げれば、ＣＯ_２レーザの場合、セレン化亜鉛（ZnSe）を用いることができる。

また、本発明では、集光レンズと保護部材との間の光学路にチェックガスを供給するようにしているので、保護部材が破損した場合には、当該破損部からチェックガスが噴出する状態となっており、このため、当該破損部から集光レンズと保護部材との間の光学路に粉塵等の汚染物質が侵入し難くなっている。

尚、前記チェックガスはどのようなものでも良く、最も安価なものは空気である。この他、アルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスであっても良い。

また、本発明に係る前記レーザ照射ヘッドにおいて、前記集光レンズと前記ノズル口との間に設けられる保護部材は、前記集光レンズから前記ノズル口に向けて予め定められた間隔を有するように順次配設された第１保護部材及び第２保護部材の２つの保護部材から構成されていても良い。この場合、前記チェックガス供給部は、前記第１保護部材と前記第２保護部材との間の光学路に通じる供給路を有し、当該供給路を通して第１保護部材と前記第２保護部材との間の光学路にチェックガスを供給する。

このように構成されたレーザ加工装置では、前記レーザ照射ヘッドの第１保護部材と第２保護部材との間の光学路に、前記チェックガス供給部から前記供給路を介してチェックガスが供給される。そして、供給路内を流通するチェックガスの流量がガス流量計によって検出され、このチェックガス流量の変動に基づいて、前記第２保護部材の破損が前記破損検出部によって検出される。

前記ノズル口に近い側の前記第２保護部材には、レーザ加工によって生じる粉塵等が付着し易く、したがって、当該第２保護部材が破損し易い。そして、この第２保護部材に破損がない場合には、第２保護部材と第１保護部材との間の光学路に供給されるチェックガスは、他に漏れ出すことが殆ど無いため、前記供給路内におけるチェックガスの流量は殆ど無く、このため、この状態では、前記ガス流量計によって検出されるチェックガスの流量は殆ど無い。一方、第２保護部材に破損を生じると、第２保護部材と第１保護部材との間の光学路に供給されたチェックガスは、当該破損部から外部に漏出するため、この漏出分だけ、前記供給路内においてチェックガスが流通し、これが前記ガス流量計によって検出されることになる。したがって、前記破損検出部は、ガス流量計によって検出されるチェックガスの流量を監視し、検出されるチェックガスの流量の変動値が、予め定めた基準値を超えたとき、第２保護部材に破損が生じたと判断することができる。

斯くして、このように構成されたレーザ加工装置によれば、前記第２保護部材が破損した場合に、前記破損検出部によってこれを迅速に検出することができ、このため、破損した第２保護部材を交換するなどの措置を迅速に採ることができる。尚、この第２保護部材が破損した場合でも、第２保護部材と集光レンズとの間には第１保護部材が設けられており、集光レンズはこの第１保護部材によって保護されているので、集光レンズが直ちに粉塵等によって汚損される虞は無い。更に、破損した第２保護部材を交換する際に集光レンズに埃が付着するのを防止することができる。したがって、このレーザ加工装置によっても、集光レンズの寿命が短くなるという問題や、集光レンズが加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じるのを防止することができる。

尚、このレーザ加工装置においても、第２保護部材と第１保護部材との間の光学路にチェックガスを供給するようにしているので、第２保護部材が破損した場合には、当該破損部からチェックガスが噴出する状態となっており、このため、当該破損部から第２保護部材と第１保護部材との間の光学路に粉塵等の汚染物質が侵入し難くなっている。

また、上述した２つ態様に係るレーザ加工装置において、前記供給路は、前記ハウジングの外側の空間にも通じた流路であっても良い。このような構成にすれば、前記チェックガス供給部から前記供給路に供給されるチェックガスは、ハウジングの外側の空間に通じた流路から当該外部空間に流出するため、常に、当該流路及びこの流路から前記チェックガス供給部に繋がる供給路内をチェックガスが流通することになる。そして、上述した２態様における保護部材及び第２保護部材（以下、「保護部材等」という）が破損すると、当該破損部からチェックガスが漏出するため、この漏出分だけ前記供給路を流通するチェックガスの流量が増加する。したがって、前記破損検出部は、ガス流量計によって検出されるチェックガスの流量を監視し、検出されるチェックガスの流量の変動値が、予め定めた基準値を超えたとき、前記保護部材等に破損が生じたと判断することができる。

また、上述した各レーザ加工装置において、その前記破損検出部は、破損検出信号を前記制御部に送信するように構成され、前記制御部は、前記破損検出部から破損検出信号を受信すると、この破損検出信号を受信した時から所定時間経過した停止タイミングで、前記レーザ発振器を停止させるように構成されているのが好ましい。

このようにすれば、前記破損検出部によって、前記保護部材等が破損したことが検出された後、所定時間経過後に前記制御部によって前記レーザ発振器が停止されるので、前記保護部材等の破損が進行し、更に大きく破損して、損傷が集光レンズにまで及ぶのを防止することができる。

また、上述した各レーザ加工装置において、その前記破損検出部は、前記破損検出とともに、該破損検出時における前記チェックガス流量の増加速度を算出し、得られた増加速度に応じた信号を前記破損検出信号とともに前記制御部に送信するように構成され、その前記制御部は、前記破損検出部から破損検出信号及び増加速度に応じた信号を受信すると、受信した増加速度に応じて設定された停止タイミングであって、増加速度が大きいほど短い時間に設定された停止タイミングで前記レーザ発振器を停止させるように構成されているのが好ましい。

破損検出時におけるチェックガス流量の増加速度は、前記保護部材等の破損状態に応じたものとなる。即ち、破損部の開口の拡大速度が小さければチェックガス流量の増加速度は低く、破損部の開口の拡大速度が大きければチェックガス流量の増加速度は高い。そして、破損部の開口の拡大速度が大きい場合には、集光レンズに影響するその緊急性が高いため、レーザ発振器を素早く停止させる必要がある。一方、破損部の開口の拡大速度が小さい場合には、集光レンズに影響するその緊急性が低いため、レーザ発振器を緊急に停止させる必要性は低い。

上記構成のレーザ加工装置によれば、チェックガス流量の増加速度が高いほど、即ち、破損部の開口の拡大速度が大きいほど、短い時間で緊急的にレーザ発振器を停止させることができるので、前記集光レンズに影響が及ぶのをより確実に防止することができる。

また、上述した各レーザ加工装置では、
レーザ照射ヘッドと被加工物とを２次元平面内、又は３次元空間内で相対的に移動させる運動機構部と、
前記レーザ発振器及び運動機構部を制御して加工を行うための加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部、及び該加工プログラム記憶部に記憶された加工プログラムを実行する加工プログラム実行部を更に備えるとともに、
前記破損検出部は、破損検出信号を前記制御部に送信するように構成され、
前記制御部は、前記加工プログラム実行部から送信される制御信号に従って、前記レーザ発振器及び運動機構部を制御するとともに、前記破損検出部から破損検出信号を受信すると、前記加工プログラム実行部によって実行されている加工プログラムを解析して、加工プログラムの実行を停止させるタイミングを決定し、加工プログラムの実行が決定したタイミングに至ったとき、前記加工プログラム実行部による加工プログラムの実行を停止するように構成されていても良い。

前記加工プログラムは、レーザ発振器のＯＮ，ＯＦＦなどの動作、前記レーザ照射ヘッドを位置制御する前記運動機構部の動作などをコードによって指令するものであり、この加工プログラムにより、被加工物に対するレーザ照射ヘッドの移動軌跡が画定される。そして、この加工プログラムは前記加工プログラム実行部によって実行されるが、実行中の加工を停止させた場合、被加工物に対して続きとなる加工を再開できない場合には、当該被加工物は不良品となる。

実行中の加工を停止させる際に、停止後に加工を再開できるその停止タイミングは、例えば、レーザ発振器がＯＮからＯＦＦとなった時や、加工プログラムで指定される移動位置にレーザ照射ヘッドの移動が完了した時などを挙げることができるが、前記制御部は、前記破損検出部から破損検出信号を受信したとき、前記加工プログラム実行部によって実行されている加工プログラムを解析して、このような停止タイミング、即ち、加工プログラムの実行を停止後、その実行を再開可能な停止タイミングを決定し、加工プログラムの実行が決定した停止タイミングに至ったとき、前記加工プログラム実行部による加工プログラムの実行を停止させる。

斯くして、上記構成を備えたレーザ加工装置によれば、前記破損検出部によって前記保護部材等の破損が検出されたときに、加工を再開可能なタイミングで加工プログラムの実行を停止させることができるので、加工を停止させた場合でも、加工を再開することで、被加工物に対して続きとなる加工を施すことができ、当該被加工物が不良品となるのを防止することができる。

また、上述した各レーザ加工装置は、前記レーザ照射ヘッドの周囲に配設され、該レーザ照射ヘッドから照射されるレーザ光の光路に粉末材料を供給する粉末材料供給部を更に備えて構成され、
前記粉末材料供給部から供給された粉末材料を前記レーザ照射ヘッドから照射されるレーザ光によって溶融させた後、被加工物上に堆積させるように構成されていても良い。

また、上述した各レーザ加工装置では、基本的には、チェックガスが供給される光学路は、外部の光学路よりも高い圧力となっているはずであるが、これが保証されない場合には、前記チェックガス供給部は、前記破損検出部によって破損が検出されたとき、前記チェックガスを供給する光学路内の圧力が、外部の光学路の圧力よりも高い圧力となるように、前記チェックガスを供給するように構成されているのが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、前記保護部材等が破損した場合に、前記破損検出部によってこれを迅速に検出することができるので、破損した保護部材等を交換するなどの措置を迅速に採ることができる。したがって、集光レンズに粉塵等が付着するのを防止することができ、その結果、集光レンズの寿命が短くなるという問題や、集光レンズが加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じるのを防止することができる。

また、本発明では、集光レンズと保護部材との間（別の態様では第１保護部材と第２保護部材との間）の光学路にチェックガスを供給するようにしているので、保護部材（別の態様では第２保護部材）が破損した場合には、当該破損部からチェックガスが噴出する状態となっている。このため、チェックガスが供給される光学路内に当該破損部から粉塵等の汚染物質が侵入するのが防止される。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示した説明図である。本発明の他の実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示した説明図である。

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に示すように、本例のレーザ加工装置１は、運動機構部２、レーザ発振器３、レーザ照射ヘッド１０、チェックガス供給部２０、ガス流量計２３、破損検出部２４、シールドガス供給部２５、粉末材料供給部２６及び制御装置３０を備えて構成される。

前記レーザ発振器３は、レーザ光を出力する発振器で、一般的には、ＣＯ_２レーザ発振器が採用されるが、これに限られるものではない。そして、このレーザ発振器３から出力されたレーザ光は、適宜光学伝送路４によってレーザ照射ヘッド１０に伝送される。

前記運動機構部２は、ボールねじ、ボールナット及び案内機構などから構成される送り装置を備えて構成され、前記レーザ照射ヘッド１０とワークＷとを３次元空間内で相対的に移動させる。

前記レーザ照射ヘッド１０は、ハウジング１１及びこのハウジング１１内に設けられる集光レンズ１６及び保護部材１８から構成される。ハウジング１１は、図１に示すように、下から順に相互に嵌合状態で連結されるノズル体１５、第１ハウジング１２、第２ハウジング１３及び第３ハウジング１４などから構成される。第３ハウジング１４は、その中心部に上下に貫通した空間である光学路１４ａを備えており、その上端部に形成された開口である導入口（図示せず）に前記光学伝送路４が接続されている。

前記第２ハウジング１３、第１ハウジング１２及びノズル体１５も同様に、それぞれその中心部に上下に貫通した空間である光学路１３ａ、１２ａ及び１５ａを備えており、これら光学路１３ａ、１２ａ及び１５ａ、並びに前記光学路１４ａによって一つの連続した光学路１１ａが形成されている。そして、第２ハウジング１３には、その光学路１３ａを形成する空間を遮断するように、透光性を有する前記集光レンズ１６が設けられ、この集光レンズ１６の下方に、同じく光学路１３ａを形成する空間を遮断するように透光性を有する保護部材１８が設けられている。尚、本例では、保護部材１８にガラスを用いているが、これに限定されるものではない。一例を挙げれば、ＣＯ_２レーザの場合、セレン化亜鉛（ZnSe）を用いることができる。

そして、前記集光レンズ１６はレンズ押え１７によって固定され、また、保護部材１８は第２ハウジング１３と第１ハウジング１２との間に挟まれた状態で固定される。尚、集光レンズ１６と第２ハウジング１３及びレンズ押え１７との間、並びに保護部材１８と第１ハウジング１２及び第２ハウジング１３との間は、それぞれ耐熱性を有するパッキンでシールされていても良い。このようにすることで、集光レンズ１６と保護部材１８との間の光学路１３ａに気密性を持たせることができる。

斯くして、このレーザ照射ヘッド１０によれば、前記レーザ発振器３から出力されたレーザ光が前記光学伝送路４を介して第３ハウジング１４の導入口（図示せず）に導入されると、導入されたレーザ光は前記光学路１４ａ及び１３ａ内を通り、前記集光レンズ１６によって集光され、保護部材１８を透過した後、光学路１２ａ，１５ａを経て、ノズル体１５の下端に形成された開口であるノズル口１５ｂから照射される。尚、集光レンズ１６は前記ノズル口１５ｂから所定距離離れた点で焦点が合うように前記レーザ光を集光する。

前記チェックガス供給部２０は、前記集光レンズ１６と前記保護部材１８との間の前記光学路１３ａに通じる供給路２１、及びチェックガスを所定圧に調整して前記供給路２１に供給するコンプレッサなどから構成される。また、供給路２１は、ハウジング１１の外部に開口する分岐流路２２を備えている。尚、本例では、前記チェックガスとして空気を用いるが、これに限定されるものではない。

前記ガス流量計２３は、前記供給路２１内を流通するチェックガスの流量を検出する機器であり、供給路２１の適当な任意の位置に接続される。尚、レーザ照射ヘッド１０の温度の影響を受けないように、ガス流量計２３はハウジング１１より外側の供給路２１に接続しているのが好ましい。このようにすることで、ガス流量計２３によって検出される流量が正確な値となる。

前記破損検出部２４は、前記ガス流量計２３から出力される前記チェックガスの流量に係る信号を受信し、受信したチェックガスの流量を認識するとともに、所定時間間隔でその変動値を算出し、算出した変動値が所定の基準値を超えると、前記保護部材１８が破損していると判定して、破損検出信号を詳しくは後述する前記制御装置３０の制御部３１に送信する。

前記保護部材１８に破損がない場合には、前記集光レンズ１６と保護部材１８との間の光学路１３ａに供給されるチェックガスは、他に漏れ出すことが殆ど無く、一方、供給路２１に供給されるチェックガスは、前記分岐流路２２から常時外部に漏出している。したがって、前記保護部材１８に破損がない場合でも、前記ガス流量計２３は一定量のガス流量を検出している。

そして、前記保護部材１８が破損すると、当該破損部からチェックガスが漏出するため、この漏出分だけ前記供給路２１内を流通するチェックガスの流量が増加し、これに伴って前記ガス流量計２３により検出されるガス流量が増加することになる。斯くして、前記破損検出部２４は、ガス流量計２３によって検出されるチェックガスの流量を監視し、検出されるチェックガス流量の変動値が、予め定めた基準値を超えたとき、前記保護部材１８に破損が生じたと判断することができる。

また、保護部材１８が破損した場合には、当該破損部からチェックガスが噴出する状態となるので、これにより、当該破損部から集光レンズ１８と保護部材１８との間の光学路１３ａ内に粉塵等の汚染物質が侵入するのが防止される。尚、チェックガスが供給される光学路１３ａは、外部の光学路１２ａよりも高い圧力となっているはずであるが、これが保証されない場合には、チェックガス供給部２０は、外部の光学路１２ａの圧力よりも高い圧力のチェックガスを光学路１３ａに供給する。

前記粉末材料供給部２６は、前記ノズル体１５のノズル口１５ｂの周囲に配設された供給管２７を有し、前記レーザ照射ヘッド１０から照射されるレーザ光の焦点領域に、付加加工用の粉末材料（具体的には、金属粉末）をキャリアガスとともに供給する機構部である。キャリアガスとともに金属粉末がレーザ光の焦点領域に供給されると、金属粉末がレーザ光のエネルギによって加熱、溶融されて堆積される（このような加工現象を「付加加工」という）。尚、キャリアガスとしては、不活性なアルゴンガスが用いられる。

前記シールドガス供給部２５は、前記レーザ光の焦点領域にシールドガスを供給する機構部であり、本例では、前記ノズル体１５の光学路１５ａ内にシールドガスを供給し、このノズル体１５のノズル口１５ｂから前記焦点領域にシールドガスを供給するようにしている。このシールドガスは、レーザ光により加熱、溶融される金属の酸化を防止するとともに、これが飛散するのを防止する役割を担うもので、当該シールドガスには、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスが一般的に用いられる。

前記制御装置３０は、前記レーザ発振器３，運動機構部２，チェックガス供給部２０，シールドガス供給部２５及び粉末材料供給部２６を制御する制御部３１と、加工プログラムを記憶する加工プログラム記憶部３３と、この加工プログラム記憶部３３に記憶された加工プログラムを実行し、前記制御部３１を介して、前記レーザ発振器３，運動機構部２，チェックガス供給部２０，シールドガス供給部２５及び粉末材料供給部２６を動作させる加工プログラム実行部３２とを備えている。

前記加工プログラムは、レーザ発振器３のＯＮ，ＯＦＦなどの動作、前記レーザ照射ヘッド１０を位置制御する前記運動機構部２の動作などをコードによって指令したものであり、この加工プログラムにより、ワークＷに対するレーザ照射ヘッド１０の移動軌跡が画定される。前記加工プログラム実行部３２がこの加工プログラムを実行、即ち、加工プログラム中に指令されたコードを解釈してこれに応じた制御信号を前記制御部３１に送信することで、当該制御部３１により、受信した制御信号に応じて前記レーザ発振器３，運動機構部２，チェックガス供給部２０，シールドガス供給部２５及び粉末材料供給部２６が制御され、前記レーザ照射ヘッド１０と前記ワークＷとが相対的に移動しながら、当該レーザ照射ヘッド１０によりワークＷに対して付加加工が実行される。

また、前記制御部３１は、前記破損検出部２４から破損検出信号を受信したとき、前記加工プログラム実行部３２によって実行されている加工プログラムを解析して、加工プログラムの実行を停止させるタイミングを決定し、加工プログラムの実行が決定したタイミングに至ったとき、前記加工プログラム実行部３２による加工プログラムの実行を停止させる。実行中の加工を停止させる場合、ワークに対して続きとなる加工を再開できない場合には、当該ワークが不良品になるという問題を生じる。したがって、実行中の加工を停止させる場合には、加工を再開可能な状態のときに停止させるのが好ましい。

加工プログラムの実行を停止後、その実行を再開することができるそのタイミング（停止タイミング）は、例えば、レーザ発振器３がＯＮからＯＦＦとなった時（即ち、付加加工が行われていない空運転の時）や、加工プログラムで指定される移動位置にレーザ照射ヘッド１０の移動が完了した時などを挙げることができる。そして、制御部３１は、前記破損検出部２４から破損検出信号を受信したとき、前記加工プログラム実行部３２によって実行されている加工プログラムを解析して、上記のような停止タイミングを決定し、加工プログラムの実行が決定したタイミングに至ったとき、前記加工プログラム実行部３２による加工プログラムの実行を停止させる。

以上の構成を備えた本例のレーザ加工装置１によれば、前記加工プログラム記憶部３３に格納された加工プログラムが前記加工プログラム実行部３２によって実行され、この加工プログラムに従って、前記制御部３１を介して前記レーザ発振器３，運動機構部２，チェックガス供給部２０，シールドガス供給部２５及び粉末材料供給部２６の動作が制御され、前記レーザ照射ヘッド１０と前記ワークＷとが相対的に移動しながら、当該レーザ照射ヘッド１０によりワークＷに対して付加加工が実行される。

即ち、前記レーザ発振器３から出力されたレーザ光は前記光学伝送路４を介してハウジング１１の光学路１１ａに導入され、前記集光レンズ１６により集光されながら、保護部材１８を透過した後、ノズル体１５のノズル口１５ｂから照射され、このノズル口１５ｂから所定距離離れた焦点位置に集光される。また、ノズル体１５には、前記シールドガス供給部２５からシールドガスが供給されており、このシールドガスがノズル体１５のノズル口１５ｂから噴出している。

そして、この状態で、前記レーザ照射ヘッド１０から照射されるレーザ光の焦点領域に、前記供給管２７を介して前記粉末材料供給部２６から付加加工用の金属粉末がキャリアガスとともに供給される。斯くして、金属粉末がレーザ光の焦点領域に供給されると、これがレーザ光により加熱、溶融されて、ワークＷ上に堆積される。その際、レーザ光により加熱、溶融される金属はシールドガスによってその酸化が防止されるとともに、飛散するのが防止される。そして、レーザ照射ヘッド１０とワークＷとは運動機構部２によって３次元空間内で相対移動するように位置制御されており、このような相対移動によって、ワークＷ上に所定形状の付加物が堆積される。

また、加工の実行中、所定圧のチェックガスが前記チェックガス供給部２０から前記供給路２１に供給されており、この供給路２１内を流通するチェックガスの流量がガス流量計２３によって検出され、検出されるガス流量が前記破損検出部２４によって監視される。

そして、破損検出部２４は、ガス流量計２３によって検出されるチェックガス流量の変動値を所定時間間隔で算出し、算出した変動値が所定の基準値を超えたとき、前記保護部材１８が破損していると判定して、破損検出信号を制御部３１に送信する。そして、制御部３１は、破損検出部２４から破損検出信号を受信したとき、加工プログラム実行部３２によって実行されている加工プログラムを解析して、当該加工プログラムを再開可能な停止タイミングを決定し、加工プログラムの実行が決定した停止タイミングに至ったとき、前記加工プログラム実行部３２による加工プログラムの実行を停止させる。

斯くして、本例のレーザ加工装置１によれば、前記保護部材１８が破損した場合に、前記破損検出部２４によってこれを迅速に検出することができるので、破損した保護部材１８を交換するなどの措置を迅速に採ることができる。したがって、集光レンズ１６に粉塵等が付着するのを防止することができ、この結果、集光レンズ１６の寿命が短くなるという問題や、集光レンズ１６が加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じるのを防止することができる。

また、前記破損検出部２４によって前記保護部材１８の破損が検出されたときに、加工を再開可能なタイミングで加工プログラムの実行を停止させることができるので、加工を停止させた場合でも、加工を再開することで、ワークＷに対して続きとなる加工を施すことができ、当該ワークＷが不良品となるのを防止することができる。

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、図２に示すように、図１に示したレーザ加工装置１において、保護部材１８（この場合、第１保護部材１８）の下方位置に第２保護部材１９を設けた構成としても良い。この図２に示したレーザ加工装置１’のレーザ照射ヘッド１０’では、チェックガス供給部２０’は、第１保護部材１８と第２保護部材１９との間の光学路１２ａに通じる供給路２１’を有し、この供給路２１’にチェックガスを供給する。この構成のレーザ加工装置１’では、第２保護部材１９が破損した場合に、破損検出部２４によってこれが検出される。尚、図２に示したレーザ加工装置１’において、図１に示したレーザ加工装置１と同じ構成部分には、同じ符号を付している。尚、この第１保護部材１８及び第２保護部材１９についても、ガラスを用いることができるが、これに限定されるものではない。上述したように、ＣＯ_２レーザの場合、セレン化亜鉛（ZnSe）を用いることができる。

斯くして、このように構成されたレーザ加工装置１’によれば、第１保護部材１８及び第２保護部材１９の２つの部材により集光レンズ１６を保護するようにしているので、当該集光レンズ１６をより確実に保護することができる。また、前記第２保護部材１９が破損した場合に、前記破損検出部２４によってこれを迅速に検出することができるので、破損した第２保護部材１９を交換するなどの措置を迅速に採ることができる。そして、この第２保護部材１９を交換する際には、集光レンズ１６に埃が付着するのを防止することができる。したがって、このレーザ加工装置１’によっても、集光レンズ１６の寿命が短くなるという問題や、集光レンズ１６が加熱され膨張してその焦点位置が変化するという問題が生じるのを防止することができる。尚、このレーザ加工装置１’においても、第２保護部材１９が破損した場合に、当該破損部からチェックガスが噴出する状態となっているため、当該破損部から第２保護部材１９と第１保護部材１８との間の光学路１２ａに粉塵等の汚染物質が侵入するのが防止される。

また、上例のレーザ加工装置１、１’において、前記制御部３１は、前記破損検出部２４により前記保護部材１８の破損が検出された時に、ワークＷが不良品となるのを防止すべく、加工を再開可能なタイミングで加工プログラムの実行を停止させるように構成されているが、これに限られるものではなく、集光レンズ１６を確実に保護するために、前記制御部３１は、前記破損検出部２４により前記保護部材１８の破損が検出され、当該破損検出部２４から破損検出信号を受信した時に、当該破損検出信号の受信から所定時間経過した停止タイミングで、加工を停止（即ち、前記レーザ発振器３を停止）させるように構成されていても良い。

或いは、各レーザ加工装置１，１’において、その破損検出部２４は、破損検出とともに、該破損検出時におけるチェックガス流量の増加速度を算出し、得られた増加速度に応じた信号を破損検出信号とともに制御部３１に送信するように構成され、制御部３１は、破損検出部２４から破損検出信号及び増加速度に応じた信号を受信すると、受信した増加速度に応じて設定された停止タイミングであって、増加速度が大きいほど短い時間に設定された停止タイミングで、加工（即ち、レーザ発振器３）を停止させるように構成されていても良い。

破損検出時におけるチェックガス流量の増加速度は、（第１）保護部材１８や第２保護部材１９の破損状態に応じたものとなる。即ち、破損部の開口の拡大速度が小さければチェックガス流量の増加速度は低く、破損部の開口の拡大速度が大きければチェックガス流量の増加速度は高い。そして、破損部の開口の拡大速度が大きい場合には、集光レンズ１６に影響するその緊急性が高いため、加工（即ち、レーザ発振器３）を素早く停止させる必要がある。一方、破損部の開口の拡大速度が小さい場合には、集光レンズ１６に影響するその緊急性が低いため、加工（即ち、レーザ発振器３）を緊急に停止させる必要性は低い。

上記構成によれば、チェックガス流量の増加速度が高いほど、即ち、破損部の開口の拡大速度が大きいほど、短い時間で緊急的に加工（レーザ発振器３）を停止させることができるので、前記集光レンズ１６に影響が及ぶのをより確実に防止することができる。尚、チェックガス流量の増加速度に応じた停止タイミングは予め経験的に設定されて、前記制御部３１内に格納されている。

また、上述した各レーザ加工装置１，１’において、前記供給路２１，２１’は分岐流路２２，２２’を備えるものとしたが、特にこの分岐流路２２，２２’を備える必要はない。この場合、（第１）保護部材１８や第２保護部材１９に破損がない場合には、前記供給路２１，２１’内におけるチェックガスの流量は殆ど無く、したがって、この状態では、ガス流量計２３によって検出されるチェックガスの流量は殆ど無いが、保護部材１８や第２保護部材１９に破損を生じると、この破損部から外部にチェックガスが漏出するため、この漏出分だけ、前記供給路２１，２１’内をチェックガスが流通し、これが前記ガス流量計２３によって検出される。したがって、破損検出部２４は、ガス流量計２３によって検出されるチェックガスの流量を監視し、検出されるチェックガスの流量の変動値が、予め定めた基準値を超えたとき、保護部材１８や第２保護部材１９に破損が生じたと判断することができる。

また、上例の各レーザ加工装置１，１’は、これを付加加工装置としたが、必ずしも付加加工装置である必要はなく、これをレーザ切断装置としても良い。この場合、前記粉末材料供給部２６を設ける必要は無く、また、前記シールドガス供給部２５に代えてアシストガス供給部を設ける。アシストガスは、切断（溶断）によって生じる屑を吹き飛ばすためのガスであり、アシストガスとしては酸素ガスや窒素ガスが一般的に用いられる。

また、集光レンズ１６の形状は図１及び２に示したものに限られるものでない。図１及び２では一般的な形状を図示したに過ぎない。

また、上例の各レーザ加工装置１，１’において、前記運動機構部２はワークＷとレーザ照射ヘッド１０，１０’とを３次元空間内で相対移動させるように構成されていたが、これに限られるものではなく、ワークＷとレーザ照射ヘッド１０，１０’とを２次元平面内で相対移動させるように構成されていても良い。

１レーザ加工装置
２運動機構部
３レーザ発振器
１０レーザ照射ヘッド
１１ハウジング
１１ａ光学路
１６集光レンズ
１８保護部材
２０チェックガス供給部
２３流量計
２４破損検出部
２５シールドガス供給部２４
２６粉末材料供給部
３０制御装置
３１制御部
３２加工プログラム実行部
３３加工プログラム記憶部

Claims

レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射するレーザ照射ヘッドと、前記レーザ発振器を制御する制御部とを備え、
前記レーザ照射ヘッドは、一方から他方に貫通した空間である光学路を有し、該光学路の一方の開口はレーザ光を導入する導入口となり、該光学路の他方の開口はレーザ光を照射するノズル口となったハウジングと、透光性を有し、前記光学路を形成する空間を遮断するように前記ハウジング内に設けられ、前記導入口から導入されるレーザ光を集光して、前記ノズル口から照射する集光レンズとを備えて構成されるレーザ加工装置であって、
前記集光レンズと前記ノズル口との間に、前記光学路を形成する空間を遮断するように配設された透光性を有する保護部材と、
前記集光レンズと前記保護部材との間の前記光学路に通じる供給路を有し、該供給路を通してチェックガスを供給するチェックガス供給部と、
前記供給路内を流通する前記チェックガスの流量を検出するガス流量計と、
前記ガス流量計により検出される前記チェックガス流量の変動に基づいて前記保護部材の破損を検出する破損検出部とを備え、
更に、前記破損検出部は、前記破損検出とともに、該破損検出時における前記チェックガス流量の増加速度を算出し、得られた増加速度に応じた信号を前記破損検出信号とともに前記制御部に送信するように構成され、
前記制御部は、前記破損検出部から破損検出信号及び増加速度に応じた信号を受信すると、前記破損検出信号を受信した時から所定時間経過した停止タイミングであり、且つ受信した増加速度に応じて設定された停止タイミングであって、増加速度が大きいほど短い時間に設定された停止タイミングで前記レーザ発振器を停止させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射するレーザ照射ヘッドと、前記レーザ発振器を制御する制御部とを備え、
前記レーザ照射ヘッドは、一方から他方に貫通した空間である光学路を有し、該光学路の一方の開口はレーザ光を導入する導入口となり、該光学路の他方の開口はレーザ光を照射するノズル口となったハウジングと、透光性を有し、前記光学路を形成する空間を遮断するように前記ハウジング内に設けられ、前記導入口から導入されるレーザ光を集光して、前記ノズル口から照射する集光レンズとを備えて構成されるレーザ加工装置であって、
前記集光レンズと前記ノズル口との間に、前記光学路を形成する空間をそれぞれ遮断するように、前記集光レンズから前記ノズル口に向けて予め定められた間隔を有するように順次配設された、透光性を有する第１保護部材及び第２保護部材と、
前記第１保護部材と前記第２保護部材との間の前記光学路に通じる供給路を有し、該供給路を通してチェックガスを供給するチェックガス供給部と、
前記供給路内を流通する前記チェックガスの流量を検出するガス流量計と、
前記ガス流量計により検出される前記チェックガス流量の変動に基づいて前記第２保護部材の破損を検出する破損検出部とを備え、
更に、前記破損検出部は、前記破損検出とともに、該破損検出時における前記チェックガス流量の増加速度を算出し、得られた増加速度に応じた信号を前記破損検出信号とともに前記制御部に送信するように構成され、
前記制御部は、前記破損検出部から破損検出信号及び増加速度に応じた信号を受信すると、前記破損検出信号を受信した時から所定時間経過した停止タイミングであり、且つ受信した増加速度に応じて設定された停止タイミングであって、増加速度が大きいほど短い時間に設定された停止タイミングで前記レーザ発振器を停止させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
前記供給路は、前記ハウジングの外側の空間にも通じていることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
前記レーザ照射ヘッドの周囲に配設され、該レーザ照射ヘッドから照射されるレーザ光の光路に粉末材料を供給する粉末材料供給部を更に備えて構成され、
前記粉末材料供給部から供給された粉末材料を前記レーザ照射ヘッドから照射されるレーザ光によって溶融させた後、被加工物上に堆積させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかのレーザ加工装置。
前記チェックガス供給部は、前記破損検出部によって破損が検出された時、前記チェックガスを供給する光学路内の圧力が、外部の光学路の圧力よりも高い圧力となるように、前記チェックガスを供給するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかのレーザ加工装置。