JP6837092B2 - レーザ加工ヘッド及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載されたレーザ加工装置は、レーザ加工ヘッドの側面にアシストガスの供給孔を有し、外部のアシストガス供給手段から供給されたアシストガスを供給孔からレーザ加工ヘッド内に導入してノズル先端から噴出させる。
1) 筒状の本体部と、
前記本体部に設けられ外部から供給されたアシストガスを前記本体部の内部空間に流入させるガス供給部と、
を備え、
前記ガス供給部は、
前記本体部の筒の軸線である本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線に直角に交わる第1の軸線に沿って延び前記本体部の内周面に開口する第1のガス供給孔と、
前記第1の軸線に対し前記本体軸線まわりに所定の角度をなし前記本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線に直角に交わる第2の軸線に沿って延び前記内周面に開口する第2のガス供給孔と、
前記内周面に所定間隔をもって対向し、前記内周面との間に前記本体軸線に沿って延びる円筒状の空間を形成する流路形成リングと、
を含むレーザ加工ヘッドである。
2) 前記所定の角度は180°以外の角度であることを特徴とする1)に記載のレーザ加工ヘッドである。
3) 筒状の本体部と、
前記本体部に設けられ外部から供給されたアシストガスを前記本体部の内部空間に流入させるガス供給部と、
を備え、
前記ガス供給部は、
前記本体部の筒の軸線である本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線まわりに互いにずれて前記本体軸線に直角に交わる軸線に沿って延びると共に前記本体部の内周面に開口するn(nは3以上の整数)個のガス供給孔と、
前記内周面に所定間隔をもって対向し、前記内周面との間に前記本体軸線に沿って延びる円筒状の空間を形成する流路形成リングと、
を含み、
前記n個のガス供給孔のうちの少なくとも一つは、前記本体軸線まわりで隣接する2つの前記ガス供給孔それぞれとなす角度ピッチが異なることを特徴とするレーザ加工ヘッドである。
4) 1)〜3)のいずれか一つに記載のレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドにレーザ光を供給するレーザ発振装置と、
前記ガス供給部にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
前記レーザ加工ヘッドをワークに対し相対的に移動させる移動装置と、
を備えたレーザ加工装置である。
5) 前記レーザ加工ヘッドが1)又は2)に記載のレーザ加工ヘッドである場合に、前記第1のガス供給孔と前記第2のガス供給孔に同じ圧力のアシストガスを供給し、前記レーザ加工ヘッドが3)に記載のレーザ加工ヘッドである場合に、前記n個のガス供給孔に同じ圧力のアシストガスを供給することを特徴とする4)に記載のレーザ加工装置である。
図1は、レーザ加工装置61の全体構成を示す斜視図である。以下の説明における上下左右前後の各方向を、図1に示される矢印の方向で規定する。
レーザ加工装置61は、レーザ発振装置62,加工本体部63,NC装置64,及びアシストガス供給装置65を有する。
加工本体部63は、ワークWを支持するテーブル63aと、テーブル63aに設けられ、X軸方向(左右方向)に移動するX軸キャリッジ63bとを有する。
X軸キャリッジ63bには、X軸と水平面上で直交するY軸方向(前後方向)に移動するY軸キャリッジ63cが設けられている。
Y軸キャリッジ63cには、Z軸ホルダ63dが設けられている。Z軸ホルダ63dは、レーザ加工ヘッド1をZ軸方向(上下方向)に移動可能に支持している。
X軸キャリッジ63b及びY軸キャリッジ63cは、ワークWとレーザ加工ヘッド1とをそれぞれX軸方向及びY軸方向に相対的に移動させる移動装置として機能する。
アシストガス供給装置65は、例えば窒素などの高純度ガス又はリッチガスを、ホース8を介して出力する。ホース8は、分岐部9によって、第1ガス経路のホース8aと第2ガス経路のホース8bとに分岐されている。ホース8aはレーザ加工ヘッド1のガス供給口P1に接続され、ホース8bはレーザ加工ヘッド1のガス供給口P2に接続されている。すなわち、アシストガスAGは、レーザ加工ヘッド1に対しそれぞれ別のガス供給口P1とガス供給口P2とから供給される。
図2は、レーザ加工ヘッド1における下部の縦断面図であり、図3は図2の部分拡大図である。図4は、図2におけるS4−S4位置での断面図である。
本体部1aの内部には、レーザ光Lsの光軸となる本体部1aの軸線CL1上に、ファイバケーブル4が接続される側から不図示のコリメーションレンズと図2に示される集束レンズ1eと保護ガラス1gとが配置されている。本体部1aは、コリメーションレンズと集束レンズ1eとの間にミラーを設けて、レーザ光Lsをミラーで90°反射させる構成のL字状としてもよい。
図4に示されるように、フランジ部1fは、横断面形状の外形が概ね矩形を呈し、4つの角部が円弧状とされ他の部分が直線状の縁部1f3〜1f6とされている。
対向する一対の角部1f1,1f2には、それぞれ孔1a1の内周面1a2に開口して孔1a1の内部空間Vcと連通するガス供給孔11,12が形成されている。ガス供給孔11,12は、それぞれ第1のガス供給孔,第2のガス供給孔として、外部から供給されたアシストガスAGを本体部1aの内部に導入する供給路として機能する。
ガス供給孔12は、第2の軸線である軸線C12が軸線CL1と直交すると共に中心線C3に対して図4における反時計回り方向の鋭角として所定の角度θbをなし、所定の内径D12を有する直状の円孔である。
角度θaと角度θbとは、同じ角度であってもよいが異なる角度に設定されていると、よりよい。すなわち、図4に示されるように、軸線C11と軸線C12とがなす鈍角としての所定の角度を角度θcとしたときに、角度θcは180°以外の角度であるとよりよい。その場合の角度例は、角度θaが50°、角度θbが43°である。
ガス供給孔11及びガス供給孔12は、軸線CL1の延びる軸方向において同じ位置に形成されている。すなわち、軸線C11及び軸線C12は、軸線CL1に直交する同一の平面上に含まれる。
距離daは全周にわたり一定とされ、距離daの隙間を確保することで内周面1a2と周壁部1d1の外周面1d1aとの間に円筒状の空間Vaが形成されている。
流路アダプタ1cは周壁部1c1を有する。周壁部1c1は、上方を先端として円環状に延在し、流路形成リング1dの内周面1d1bに対し、径方向に図2及び図4に示される所定の距離dbの隙間をもって対向している。
距離dbは全周にわたり一定とされ、距離dbの隙間を形成することで流路形成リング1dの内周面1d1bと周壁部1c1の外周面1c1aとの間に円筒状の空間Vbが形成されている。
これにより、アシストガスAGは、図3に矢印DRで示されるように、外部からガス供給孔11及びガス供給孔12を通して同じ圧力及び流量で供給されると共に、径方向の幅が距離daなる空間Vaに矢印DRaのように流入する。
空間Vaは、流路形成リング1dの周壁部1d1の下端部側が空間Vbに連通しており、空間Vaに流入したアシストガスAGは、周壁部1d1の下端部を通り径方向の幅が距離dbなる空間Vbに矢印DRbのように流入する。
空間Vbは、上端側が孔1a1内に開口しているので、空間Vbにその下部側から流入したアシストガスAGは、矢印DRcのように上方へ流れて空間Vbの上方端部から孔1a1の内部空間Vcに矢印DRdのように流入する。
一方、ガス供給孔12から供給されたアシストガスAGの流れは、空間Vaに流入すると時計回り方向の流れのガス流AG12Rと反時計回り方向の流れのガス流AG12Lとに分岐する。
一方、ガス流AG11Lとガス流AG12Rとは、流入点11a,12aから周方向のそれぞれの流れ距離が概ね同じとなる図5の下側の円弧上の中点である衝突点Pt2で衝突する。
図6に示されるように、比較例のレーザ加工ヘッド1Aは、実施例のレーザ加工ヘッド1におけるガス供給孔11に相当するガス供給孔11Aを有する一方、レーザ加工ヘッド1におけるガス供給孔12に相当するガス供給孔を有していない。
すなわち、レーザ加工ヘッド1Aは、外部から供給されたアシストガスAGが一つの供給経路であるガス供給孔12Aを通して内部に流入する。
図7に示されるように、レーザ加工ヘッド1Aでは、アシストガスAGは、一つのガス供給孔11Aを通り流入点11aAから空間Vaに供給される。アシストガスAGは、空間Vaに流入すると時計回り方向の流れのガス流AGRと反時計回り方向の流れのガス流AGLとに分岐する。
すなわち、アシストガスAGは、実施例のレーザ加工ヘッド1では空間Vaにおいて2箇所の衝突点Pt1,Pt2で衝突し、比較例のレーザ加工ヘッド1Aでは空間Vaにおいて1箇所の衝突点PtAで衝突する。
また、レーザ加工ヘッド1の空間Vaに生じた衝突点Pt1,Pt2におけるアシストガスAGの流れの乱れは、空間Vbを経由して孔1a1内を流れるアシストガスAGの流れにも周方向の流れの乱れとして伝播する。しかしながら、この周方向の乱れは、レーザ加工ヘッド1Aにおける孔1a1内のアシストガスAGの流れの周方向の乱れよりも小さく抑制される。
これにより、2つの衝突点Pt1,Pt2の周方向位置及びガス流の乱れ度合いは定常的ではなくなり、ガス流の乱れは、空間Vaから空間Vbを経由して孔1a1内に進入する過程で、周方向位置がずれながら平均化してより抑制される。
2つのガス供給孔11,12からエア溜まりとして機能する空間Vaに流入したアシストガスAGは、2つの衝突点Pt1,Pt2で衝突し流れの乱れが生じる。しかしながら、衝突点Pt1,Pt2が周方向に等分割とならない位置にあるため、アシストガスAGは、流れの乱れが定常化しない状態で空間Vbへと流入する。そのため、アシストガスAGの流れの乱れは、空間Va及び空間Vbを通過する過程で徐々に抑制され、アシストガスAGの流れは周方向で平均化した状態で孔1a1内に流入する。
実験Bとして、ワークWを略矩形の切断経路Ctで切断したときに各辺に生じるドロスの高さを測定し、最大値を比較した。以下、切断経路Ctにおけるドロスの高さの最大値をドロス最高値Ddとも称する。
図8(a),(b)を参照して実験Aの方法を説明する。
図8(a)は実験Aで切断するワークWの上面図であり、(b)は実験Aを実施中のワークW及びレーザ加工ヘッド1一部断面の側面図である。
このワークWに対し、レーザ加工ヘッド1,1Aを、それぞれアシストガスAGを噴出させながら貫通孔Waを通る水平直交2軸であるX軸及びY軸に沿って移動させ、貫通孔Waを通過して下面側に噴出するアシストガスAGの圧力の時間変化を圧力計71によって測定する。
これにより、レーザ加工ヘッド1,1Aそれぞれについて、噴出するアシストガスAGのX軸及びY軸方向の圧力分布が独立して得られる。
貫通孔Waの直径は1.0mmとし、測定範囲は、レーザ加工ヘッド1,1Aそれぞれのノズル1b,1bAの中心位置から移動方向の前後2.0mmの合計4mmの範囲とする。
図9に示されるように、板材のワークWに対し、角にR付けした概ね正方形の切断経路Ctを設定する。切断経路Ctは、図9の反時計回り方向に切断するものとし、直線部分となる4つの経路である第1経路Ct1,第2経路Ct2,第3経路Ct3,及び第4経路Ct4をこの順に切断し、それぞれに生じたドロスの高さの最大値であるドロス最高値Ddを測定する。
X及びYの切断方向の向きは、(+)、(−)として図9に示されるように設定する。
すなわち、第1経路Ct1〜第4経路Ct4は、切断順に、第1経路Ct1:(Y−)方向,第2経路Ct2:(X+)方向,第3経路Ct3:(Y+)方向,及び第4経路Ct4:(X−)方向となる。
また、切断加工においてレーザ光Lsの焦点位置は3段階に変え、移動速度は4段階に変え、それぞれについてドロス最高値Ddを測定した。
(実験A)
図10は、実施例のレーザ加工ヘッド1での実験Aの結果である。
図10に示されるように、レーザ加工ヘッド1におけるアシストガスAGの噴出圧力分布は、圧力の変化度合いが滑らかであると共にX軸方向とY軸方向とでほぼ一致し、切断方向による実質的な差は認められない。
すなわち、レーザ加工ヘッド1から噴出するアシストガスAGの圧力分布は、周方向に均一になっていることがわかる。
図11は、実施例のレーザ加工ヘッド1における実験Bの結果を示す表である。
この表では、ドロス最高値Ddを大きさに応じて4段階に分け、表中のセルをハッチングなどによって分類してある。
図11に示されるように、レーザ加工ヘッド1では、焦点位置が−2.0mm,−3.0mmにおいて、移動速度によらずドロス最高値Ddは、30μm以下の4段階中の最小段階に抑制されている。また、焦点位置が−0.5mmにおいても、ドロス最高値Ddは、50μm以下に抑制されている。
いずれの焦点位置においても、第1経路Ct1〜第4経路Ct4の違いによる顕著な傾向や差は認められない。すなわち、ドロス最高値Ddに切断方向性は認められない。
(実験A)
図12は、比較例のレーザ加工ヘッド1Aにおける実験Aの結果である。
図12に示されるように、レーザ加工ヘッド1AにおけるアシストガスAGの噴出圧力分布は、実線で示されるX方向の移動における−2mm〜−1mmの測定範囲M1において、S字状にうねり乱れが生じていることがわかる。
また、測定位置が(+0.5)〜(+1.6)の範囲において、X方向とY方向とで圧力差が顕著に生じていることがわかる。
これらにより、レーザ加工ヘッド1Aから噴出するアシストガスAGの圧力分布は、周方向に均一ではないことがわかる。
図13は、比較例のレーザ加工ヘッド1Aにおける実験Bの結果を示す表であり、図11と対比可能である。
図13に示されるように、レーザ加工ヘッド1Aでは、焦点位置及び移動速度によらずドロス最高値Ddが30μmを超える場合が多く、50μmを超える場合もあり、実施例のレーザ加工ヘッド1を用いたときよりも生じるドロスの最高値が高い傾向が認められる。
また、X軸方向の加工である第2経路Ct2(X+)及び第4経路Ct4(X−)方向の切断加工は、焦点位置及び移動速度によらず、Y軸方向の加工である第1経路Ct1(Y−)及び第3経路Ct3(Y+)方向の切断加工よりもドロス最高値Ddが高くなる傾向が認められる。
このように、比較例のレーザ加工ヘッド1Aを用いた切断加工は、ドロス最高値Ddが大きく、かつ切断方向性を有する。この結果は、実験Aで明らかになったアシストガスAGの圧力分布が周方向に均一になっていないことが要因にあることが推察される。
衝突点が多いほど、その衝突点における圧力値の増分がより抑制されて低下するので好ましい。
また、この場合、n個のガス供給孔のうちの少なくとも一つを、軸線CL1まわりで隣接する2つのガス供給孔それぞれとなす角度ピッチが異なるように形成すると、内部空間Vcを流れるガス流の周方向の乱れがより抑制されるので好ましい。
特に、開口処理部11c,12cを形成することで、ガス供給孔11,12におけるアシストガスAGの圧力損失及び流れの乱れを抑制できる。これは、開口処理部11c,12cを形成することは、実質的にガス供給孔11,12の内径を大きくすることに相当し、2つの供給経路での圧力損失のばらつき及び流れの乱れを抑制できるので、レーザ加工ヘッド1から噴出するアシストガスAGの周方向の圧力分布の均一化を促進できる。
これに限らず、ガス供給孔11及びガス供給孔12は、それぞれの軸線C11及び軸線C12のいずれか一方又は両方が、軸線CL1に直交する平面上において軸線CL1と交わらないように水平方向にずれて形成されていてもよい。
この場合、ガス供給孔の軸線としてずれが許容される範囲は、例えば、ずれる軸線が軸線CL11の場合、図4に示される軸線C11に対し±30°で傾いた半径線が内周面1a2と交わる位置の間の範囲となる。
ガス供給孔は、軸線がこの範囲にあるように開口していれば、複数のガス供給孔の開口部間に実施例と同様の衝突点が生じ、圧力上昇及び流れの乱れが抑制されて実施例と同様の効果が得られる。
この場合、ガス供給路は、軸線CL1の延びる軸方向の位置において、本体部1aの内周面1a2と流路形成リング1dの外周面1d1aとの間の円筒状の空間Vaに開口するように形成されていればよい。
これにより、アシストガスAGが空間Vaから空間Vbを流れる過程で、流れの乱れる点がより定常化しにくくなり、レーザ加工ヘッド1から噴出するアシストガスAGの周方向の圧力分布がより均一化される。
1a 本体部
1a1 孔
1a2 内周面
1b ノズル
1b1 開口部
1c 流路アダプタ
1c1 周壁部
1c1a 外周面
1d 流路形成リング
1d1 周壁部
1d1a 外周面
1d1b 内周面
1e 集束レンズ
1f フランジ部
1f1,1f2 角部
1f3〜1f6 縁部
1g 保護ガラス
11 ガス供給孔
11a 流入点
11c 開口処理部
12 ガス供給孔
12a 流入点
12c 開口処理部
4 ファイバケーブル
71 圧力計
8,8a,8b ホース
9 分岐部
61 レーザ加工装置
62 レーザ発振装置
63 加工本体部
63a テーブル
63b X軸キャリッジ
63c Y軸キャリッジ
63d Z軸ホルダ
64 NC装置
65 アシストガス供給装置
AG アシストガス
AG11L,AG11R,AG12L,AG12R ガス流
CL1 軸線
Ct 切断経路
Ct1 第1経路
Ct2 第2経路
Ct3 第3経路
Ct4 第4経路
C11,C12 軸線
C3 中心線
da,db 距離
Dd ドロス最高値
D11,D12 内径
GK ガス供給部
Pt1〜Pt8 衝突点
P1,P2 ガス供給口
Ls レーザ光
Va,Vb 空間
Vc 内部空間
W ワーク
Wa 貫通孔
θa,θb 角度
Claims (5)
- 筒状の本体部と、
前記本体部に設けられ外部から供給されたアシストガスを前記本体部の内部空間に流入させるガス供給部と、
を備え、
前記ガス供給部は、
前記本体部の筒の軸線である本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線に直角に交わる第1の軸線に沿って延び前記本体部の内周面に開口する第1のガス供給孔と、
前記第1の軸線に対し前記本体軸線まわりに所定の角度をなし前記本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線に直角に交わる第2の軸線に沿って延び前記内周面に開口する第2のガス供給孔と、
前記内周面に所定間隔をもって対向し、前記内周面との間に前記本体軸線に沿って延びる円筒状の空間を形成する流路形成リングと、
を含むレーザ加工ヘッド。 - 前記所定の角度は180°以外の角度であることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工ヘッド。
- 筒状の本体部と、
前記本体部に設けられ外部から供給されたアシストガスを前記本体部の内部空間に流入させるガス供給部と、
を備え、
前記ガス供給部は、
前記本体部の筒の軸線である本体軸線に直交する平面上にあって前記本体軸線まわりに互いにずれて前記本体軸線に直角に交わる軸線に沿って延びると共に前記本体部の内周面に開口するn(nは3以上の整数)個のガス供給孔と、
前記内周面に所定間隔をもって対向し、前記内周面との間に前記本体軸線に沿って延びる円筒状の空間を形成する流路形成リングと、
を含み、
前記n個のガス供給孔のうちの少なくとも一つは、前記本体軸線まわりで隣接する2つの前記ガス供給孔それぞれとなす角度ピッチが異なることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドにレーザ光を供給するレーザ発振装置と、
前記ガス供給部にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
前記レーザ加工ヘッドをワークに対し相対的に移動させる移動装置と、
を備えたレーザ加工装置。 - 前記レーザ加工ヘッドが請求項1又は請求項2記載のレーザ加工ヘッドである場合に、前記第1のガス供給孔と前記第2のガス供給孔に同じ圧力のアシストガスを供給し、前記レーザ加工ヘッドが請求項3記載のレーザ加工ヘッドである場合に、前記n個のガス供給孔に同じ圧力のアシストガスを供給することを特徴とする請求項4記載のレーザ加工装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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