JP6924857B2

JP6924857B2 - レーザ表面加工装置

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Publication number: JP6924857B2
Application number: JP2020023505A
Authority: JP
Inventors: 坪田　秀峰; 秀峰坪田; 剛久奥田; 吉田　和弘; 和弘吉田; 小松　由尚; 由尚小松; 雄樹橋川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2021-08-25
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: JP2020073290A

Description

本発明は、レーザを照射して加工対象物の表面を加工するレーザ表面加工装置に関するものである。

加工対象物の表面の除去を行う装置として、表面にレーザを照射する装置がある。例えば、特許文献１には、有害物質により汚染された無機物質表層の汚染にレーザ照射ヘッドよりレーザを照射して当該汚染部分を溶融するレーザ照射装置と、レーザの照射により溶融した汚染部分である溶融層に高圧ガス噴射ノズルより高圧ガスを噴射して、当該溶融層を汚染物質粉とする高圧ガス噴射装置と、溶融層より生じた汚染物質粉を回収フードにより回収する汚染物質粉回収装置と、少なくともレーザ照射装置のレーザ照射ヘッド、高圧ガス噴射装置の高圧ガス噴射ノズル、汚染物質粉回収装置の回収フードを連動して移動させて順次汚染部分を除染する走査装置と、を有する除染装置（レーザ表面加工装置）が記載されている。

また、例えば、特許文献２には、レーザ加工装置の加工ヘッドとして、レーザビームノズルの中央部にレーザビームが通過する主アシストガスノズルを設け、この主アシストガスノズルを囲繞する環状の補助アシストガスノズルを一重以上設けて、補助アシストガスノズルの最も内側の噴射口の内径を主アシストガスノズルの噴射口の内径よりも大きいかもしくは等しくすると共に、主アシストガス流の圧力変動及び流速変動値が大きくなるようにすることが記載されている。また、特許文献２には、主アシストガスノズル内壁面に設けた螺旋状にねじれた静止翼または溝である旋回流形成手段を設けることが記載されている。

また、例えば、特許文献３には、炭酸ガスレーザ加工ヘッドとして、炭酸ガスレーザのレーザビームを内部に通す円筒部と、円筒部の先端近傍の内部に設けられレーザビームを集光する集光レンズと、円筒部の先端に取り付けられる円錐形のノズルよりなり、ノズルの上側近傍にはアシストガス入口が接線方向に開口しており、ノズルの内壁面には螺旋状のライフルが形成してあることが記載されている。

特開２００１−１１６８９２号公報特開平６−１９０５８２号公報特開昭６１−１３５４９６号公報

特許文献１に記載されているように、レーザで溶融した溶融物に高圧ガス（アシストガス）を吹き付けることで、溶融させた物質を加工対象物から除去することが可能である。そして、除去した物質を回収装置により回収する。しかしながら、アシストガスを吹き付けることで溶融させた物質が飛散した場合、回収装置により回収することが困難になる。

なお、特許文献２では、レーザビームが通過する主アシストガスノズルを囲繞する環状の補助アシストガスノズルを一重以上設けたものであるが、ここでは、補助アシストガスノズルにより主アシストガス流の圧力変動及び流速変動値が大きくなるようにすることで、周囲空気の巻き込みを防止して中央部の主アシストガスを高純度に保ち、酸化燃焼速度をさらに高めるものであるが、溶融させた物質を回収することに寄与するものではない。

また、特許文献２には、主アシストガスノズル内壁面に設けた螺旋状にねじれた静止翼または溝である旋回流形成手段を設けることが記載されているが、旋回流により主アシストガス流の圧力変動及び流速変動値が大きくなるようにするもので、溶融させた物質を回収することに寄与するものではない。

また、特許文献３には、ノズルの内壁面には螺旋状のライフルが形成してあることが記載されているが、集光レンズに溶融蒸気が付着することを防ぐもので、溶融させた物質を回収することに寄与するものではない。

そこで、本発明は、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することのできるレーザ表面加工装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る第二のレーザ表面加工装置は、管状に延在する加工対象物の内周面に沿ってリング状にレーザを照射するレーザ照射装置と、前記加工対象物のレーザが照射されている照射領域にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、前記レーザ照射装置と前記加工対象物とを管状の延在方向に相対移動させる移動機構と、レーザが照射され溶融した前記加工対象物を回収する回収機構と、リング状に照射される前記レーザに沿って前記アシストガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部を有することを特徴とする。

また、前記第二のアシストガス供給装置では、前記アシストガス供給装置は、リング状に照射される前記レーザの中央からアシストガスを噴射するアシストガス噴射ノズルを有し、前記旋回流発生部は、アシストガス噴射ノズルに対向する対向面を有する円盤状の固定部材と、前記固定部材の対向面の中央から径方向外側に設けられた螺旋部と、を有することが好ましい。

また、前記第二のアシストガス供給装置では、前記アシストガス供給装置は、前記レーザのリング状に合わせてアシストガスを噴射するリング状のアシストガス噴射ノズルを有し、前記旋回流発生部は、アシストガス噴射ノズルの内面に設けられた螺旋部を有することが好ましい。

また、前記第二のアシストガス供給装置では、前記回収機構は、前記レーザのリング状に合わせて開口が設けられて前記加工対象物の管状の延在方向に沿って延在する筒状に形成され、前記旋回流発生部は、前記回収機構の筒の内周面に設けられた螺旋部を有することが好ましい。

本発明によれば、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す斜視図である。図３は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す側面図である。図４は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図５は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図６は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図７は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図８は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図９は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図１０は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。図１１は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置を模式的に示す概略構成図である。図１２は、図１１に示すレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す正面図である。図１３は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１４は、図１３に示すレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す正面図である。図１５は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１６は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１７は、図１５および図１６に示すレーザ表面加工装置の回収機構を示す縦断面図である。図１８は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１９は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。

［実施形態１］
以下に、本発明に係る第一のレーザ表面加工装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

図１は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す斜視図である。図３は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す側面図である。図４は、実施形態１に係るレーザ表面加工装置のノズル周辺を模式的に示す平面図である。

レーザ表面加工装置１０は、加工対象物６０の表面にレーザ光（以下、レーザという）Ｌを照射して、加工対象物６０の表面を溶融し除去する。レーザ表面加工装置１０は、移動機構となるマニピュレータ１１と、レーザ照射装置１２と、アシストガス供給装置１３と、補助アシストガス供給装置１４と、回収機構１５と、制御装置１６と、を備える。

マニピュレータ１１は、例えば、６軸マニピュレータであり、その先端部には、支持フレーム１８が取り付けられている。支持フレーム１８には、レーザ照射装置１２の一部である後述するレーザ照射ヘッド２３が保持されている。このマニピュレータ１１は、制御装置１６に接続され、制御装置１６によって動作が制御されることで、レーザ照射装置１２から照射されるレーザＬの照射方向及び照射位置を変化させることができる。本実施形態のマニピュレータ１１は、加工対象物６０に対してレーザ照射装置１２のレーザ照射ヘッド２３を移動方向７０に移動させる。つまり、移動方向７０は、加工対象物６０に対してレーザ照射位置が移動する方向となる。また、本実施形態では、マニピュレータ（移動機構）１１でレーザ照射ヘッド２３等を加工対象物６０に対して移動させたが、加工対象物６０とレーザ照射ヘッド２３等とを相対移動させればよく、加工対象物６０を移動させても、加工対象物６０とレーザ照射ヘッド２３等との両方を移動させてもよい。

レーザ照射装置１２は、加工対象物６０にレーザＬを照射する。レーザ照射装置１２は、レーザ発振器２１と、伝送ケーブル２２によってレーザ発振器２１に接続されるレーザ照射ヘッド２３とを有する。レーザ発振器２１は、レーザＬを照射し、制御装置１６に接続されている。レーザ発振器２１は、制御装置１６によってレーザＬの照射が制御されることで、所定の出力となるレーザＬを照射する。伝送ケーブル２２は、レーザ発振器２１から照射されたレーザＬを、レーザ照射ヘッド２３へ向けて導光する。レーザ照射ヘッド２３は、伝送ケーブル２２により導光されたレーザＬを、加工対象物６０へ向けて照射している。このレーザ照射ヘッド２３は、支持フレーム１８によって保持されている。

ここで、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬは、加工対象物６０に照射される。具体的には、レーザ照射装置１２は、図３に示すように、レーザ中心線Ｌｃが、加工対象物６０の表面に垂直な線に対して移動方向７０の上流側に傾斜した向きとなる状態で、レーザＬを照射する。

アシストガス供給装置１３は、加工対象物６０にアシストガスＧ１を噴射する。アシストガス供給装置１３は、アシストガス供給部３１と、アシストガス供給ライン３２によってアシストガス供給部３１に接続されるアシストガス供給ヘッド３３とを有する。アシストガス供給ヘッド３３は、アシストガス噴射ノズル３３ａを有する。アシストガス供給部３１は、例えば、不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ_２）や、支燃性ガス（Ｏ_２）を供給し、制御装置１６に接続されている。アシストガスの種類は、加工対象や加工雰囲気に応じて設定すればよい。アシストガス供給部３１は、制御装置１６によって不活性ガスの供給が制御されることで、所定の供給量で不活性ガスを供給する。アシストガス供給ライン３２は、アシストガス供給部３１から供給された不活性ガスを、アシストガス供給ヘッド３３へ向けて流通させる。アシストガス供給ヘッド３３は、支持部材４８を介して、支持フレーム１８によって保持されている。アシストガス噴射ノズル３３ａは、レーザＬが照射される加工位置へ向けてアシストガスＧ１を噴射する。

ここで、アシストガス供給装置１３は、アシストガス噴射ノズル３３ａが、レーザ照射ヘッド２３よりも移動方向７０の上流側に配置されている。従って、本実施形態のアシストガス供給装置１３は、アシストガス中心線Ｇ１ｃがレーザ中心線Ｌｃよりも加工対象物６０の表面に近い位置でアシストガスＧ１を噴射する。

補助アシストガス供給装置１４は、加工対象物６０に補助アシストガスＧ２を噴射する。補助アシストガス供給装置１４は、本実施形態ではアシストガス供給装置１３の構成を併用して構成されている。従って、補助アシストガス供給装置１４は、補助アシストガス供給部（アシストガス供給部）３１と、補助アシストガス供給ライン（アシストガス供給ライン）３２によって補助アシストガス供給部（アシストガス供給部）３１に接続される補助アシストガス供給ヘッド（アシストガス供給ヘッド）３３とを有する。補助アシストガス供給ヘッド（アシストガス供給ヘッド）３３は、補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを有する。補助アシストガス噴射ノズル３３ｂは、図２から図４に示すように、アシストガス噴射ノズル３３ａを中央において、アシストガス噴射ノズル３３ａから噴射されるアシストガスＧ１の噴射方向に対して交差する方向に向けて設けられ、アシストガスＧ１の側部であってレーザＬが照射される加工位置の側部から補助アシストガスＧ２を噴射する。

なお、図には明示しないが、補助アシストガス供給装置１４は、アシストガス供給装置１３の構成とは別に、補助アシストガス供給部と、補助アシストガス供給ラインによって補助アシストガス供給部に接続される補助アシストガス供給ヘッドとを有してもよい。この場合、補助アシストガス供給部は、アシストガス供給部３１とは独立して制御装置１６によって不活性ガスの供給が制御されることで、所定の供給量で不活性ガスを供給する。

回収機構１５は、加工対象物６０から溶融された溶融物を回収する。回収機構１５は、受け部５１と、吸引ライン５２と、吸引ポンプ５３と、を有する。受け部５１は、レーザ照射ヘッド２３の移動方向７０の下流側に配置されている。受け部５１は、加工時に加工対象物６０の近傍に配置されている。受け部５１は、支持フレーム１８と一体で移動する。吸引ライン５２は、受け部５１と吸引ポンプ５３に接続されている。吸引ポンプ５３は、吸引ライン５２を介して受け部５１の空気を吸引する。回収機構１５は、受け部５１の空気を吸引ポンプ５３で吸引することで、受け部５１内の物質を吸引し、回収する。

制御装置１６は、マニピュレータ１１、レーザ照射装置１２、アシストガス供給装置１３、補助アシストガス供給装置１４及び回収機構１５の動作を制御する。

ここで、レーザ照射ヘッド２３、アシストガス供給ヘッド３３、受け部５１は、支持フレーム１８及び支持部材４８によって一体に支持されることから、相対的な位置関係が固定される。このため、マニピュレータ１１は、支持フレーム１８（及び支持部材４８）を移動させることで、レーザ照射装置１２によるレーザＬの照射方向及び照射位置、アシストガス供給ヘッド３３のアシストガス噴射ノズル３３ａによるアシストガスの供給方向及び供給位置、アシストガス供給ヘッド３３の補助アシストガス噴射ノズル３３ｂによるアシストガスの供給方向及び供給位置、受け部５１の位置を、一体に移動させることができる。

このレーザ表面加工装置１０は、図３に示すように、アシストガス噴射ノズル３３ａからアシストガス中心線Ｇ１ｃのアシストガスＧ１を加工対象物６０に噴射しつつ、レーザ照射ヘッド２３からレーザ中心線ＬｃのレーザＬを加工対象物６０に照射する。アシストガスＧ１は、加工対象物６０のレーザＬが照射されている照射領域Ｌａ（図３および図４参照）に向けて噴射される。加工対象物６０は、レーザＬが照射される位置が加熱され、溶融し、一部が溶融物６４となる。溶融物６４は、アシストガスＧ１により吹き飛ばれる。アシストガスＧ１で吹き飛ばされた溶融物６４は、移動方向７０の下流側に移動して受け部５１に回収される。レーザ表面加工装置１０は、マニピュレータ１１でレーザ照射ヘッド２３、アシストガス噴射ノズル３３ａ、受け部５１を移動方向７０に移動させつつ、加工対象物６０の表面を溶融し、溶融物６４を生成し、溶融物６４をアシストガスＧ１で吹き飛ばし、受け部５１で回収することで、加工対象物６０の表面の一部を除去する。

ここで、アシストガス供給装置１３は、加工対象物６０にある溶融物６４の表面張力の２倍以上の衝突力で加工対象物６０にアシストガスＧ１を噴射する。衝突力Ｆｉ［Ｎ］は、アシストガス流速ｖ［ｍ／ｓ］、アシストガス密度ρ［ｋｇ/ｍ^３］、有効アシストガス流量Ｑ［ｍ^３/ｓ］、レーザ照射幅Ｌ［ｍ］、有効幅ｂ［ｍ］に基づいて下記式で算出する。

これにより、溶融層の底部、つまり溶融物６４と加工対象物６０の境界を露出させるもしくは残存する溶融層厚を極力小さくすることができ、レーザＬによる加工を効率よく行うことができる。

また、同時に、レーザ表面加工装置１０は、図２から図４に示すように、補助アシストガス噴射ノズル３３ｂから補助アシストガスＧ２を、照射領域Ｌａに向けて照射されるアシストガスＧ１の側部から噴射する。すると、照射領域Ｌａに向けて照射されるアシストガスＧ１により吹き飛ばされる溶融物６４を、側部から噴射される補助アシストガスＧ２により飛ぶ方向が強制的に所定方向に制御される。この制御された溶融物６４の飛ぶ方向は、受け部５１を配置した方向であり、当該受け部５１に溶融物６４が回収される。この補助アシストガス噴射ノズル３３ｂから噴射される補助アシストガスＧ２は、アシストガスＧ１により吹き飛ばされる溶融物６４の飛ぶ方向を制御するものであるから、アシストガスＧ１程の衝突力は必要ない。

このように、本実施形態のレーザ表面加工装置１０は、加工対象物６０にレーザＬを照射するレーザ照射装置１２と、加工対象物６０のレーザＬが照射されている照射領域Ｌａに向けてアシストガスＧ１を噴射するアシストガス噴射ノズル３３ａを有するアシストガス供給装置１３と、照射領域Ｌａに向けてアシストガス供給装置１３により供給されるアシストガスＧ１の側部から補助アシストガスＧ２を噴射する補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを有する補助アシストガス供給装置１４と、レーザ照射装置１２と加工対象物６０とを相対移動させる移動機構１１と、レーザＬが照射され溶融した加工対象物６０の溶融物６４を回収する回収機構１５と、を有し、補助アシストガス噴射ノズル３３ｂは、アシストガス噴射ノズル３３ａの向く方向に対して交差する方向に向けて配置される。

このレーザ表面加工装置１０によれば、アシストガスＧ１で吹き飛ばされる加工対象物６０の溶融物６４の飛ぶ方向を補助アシストガスＧ２により回収機構１５に向くように制御する。この結果、レーザＬにより溶融された溶融物６４の回収効率を向上することができる。

図５から図１０は、実施形態１のレーザ表面加工装置の他の例のノズル周辺を模式的に示す平面図である。

図４に示すレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａを中央として補助アシストガス噴射ノズル３３ｂをアシストガス噴射ノズル３３ａの両側方に配置している。そして、アシストガス噴射ノズル３３ａがアシストガスＧ１を噴射する方向に対して直交する方向に向けて補助アシストガス噴射ノズル３３ｂが設けられている。これに対し、図５および図６に示すレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａがアシストガスＧ１を噴射する方向に対して傾斜する方向であってレーザＬの照射領域Ｌａに向けて補助アシストガス噴射ノズル３３ｂが設けられている。図６に示すレーザ表面加工装置１０は、図５に示すレーザ表面加工装置１０と比較して、補助アシストガスＧ２がレーザＬの照射領域Ｌａに近い位置から補助アシストガスＧ２を噴射するように設けられている。

そして、図４から図６に示すレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａを設けた位置に対してアシストガス噴射ノズル３３ａによるアシストガスＧ１の噴射方向の下流側に張り出した平面に沿って補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを配置している。

また、図７および図８に示すレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａを中央として補助アシストガス噴射ノズル３３ｂをアシストガス噴射ノズル３３ａの両側方に配置している。そして、アシストガス噴射ノズル３３ａがアシストガスＧ１を噴射する方向に対して傾斜する方向であってレーザＬの照射領域Ｌａに向けて補助アシストガス噴射ノズル３３ｂが設けられている。特に、図７および図８に示すレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａを設けた位置に対してアシストガス噴射ノズル３３ａによるアシストガスＧ１の噴射方向の下流側に張り出した曲面に沿って補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを配置している。また、図８に示すレーザ表面加工装置１０は、図７に示すレーザ表面加工装置１０と比較して、補助アシストガスＧ２がレーザＬの照射領域Ｌａに近い位置から補助アシストガスＧ２を噴射するように設けられている。

このように、図４から図８に示すレーザ表面加工装置１０によれば、アシストガス噴射ノズル３３ａを中央として補助アシストガス噴射ノズル３３ｂをアシストガス噴射ノズル３３ａの両側方に配置している。これにより、アシストガスＧ１で吹き飛ばされる加工対象物６０の溶融物６４の飛ぶ方向を補助アシストガスＧ２により収束させる。この結果、レーザＬにより溶融された溶融物６４の回収効率を向上することができる。

また、図９に示すレーザ表面加工装置１０では、図５に示すレーザ表面加工装置１０のアシストガス噴射ノズル３３ａおよび補助アシストガス噴射ノズル３３ｂの配置に対し、レーザ照射装置１２がレーザＬの照射領域Ｌａの形状を各ノズル３３ａ，３３ｂの配置に沿う形状に合わせている。また、図１０に示すレーザ表面加工装置１０では、図７に示すレーザ表面加工装置１０のアシストガス噴射ノズル３３ａおよび補助アシストガス噴射ノズル３３ｂの配置に対し、レーザ照射装置１２がレーザＬの照射領域Ｌａの形状を各ノズル３３ａ，３３ｂの配置に沿う形状に合わせている。

このように、図９および図１０に示すレーザ表面加工装置１０によれば、レーザＬの照射領域Ｌａの形状を各ノズル３３ａ，３３ｂの配置に沿う形状に合わせることで、溶融部の形状が各ノズル３３ａ，３３ｂの配置に合った形状になるため、溶融物６４に効率的にアシストガスＧ１および補助アシストガスＧ２を照射させることができ、溶融物６４が加工対象物６０側に残存する量を最小化できる。この結果、レーザＬにより溶融された溶融物６４の回収効率を向上することができる。

ところで、本実施形態のレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａの両側部に補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを配置した例を示しているがこれに限定されない。例えば、アシストガス噴射ノズル３３ａの一側部に補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを配置した構成であってもよく、多側部に補助アシストガス噴射ノズル３３ｂを配置した構成であってもよい。また、本実施形態のレーザ表面加工装置１０では、アシストガス噴射ノズル３３ａと補助アシストガス噴射ノズル３３ｂをアシストガス供給ヘッド３３に一体に設けた構成を示しているが別の供給ヘッドにそれぞれ設けられていてもよい。また、本実施形態のレーザ表面加工装置１０では、補助アシストガスＧ２を移動方向７０の上流側から照射する例を示しているが、補助アシストガスＧ２を移動方向７０の下流側から照射してもよい。すなわち、本実施形態のレーザ表面加工装置１０は、アシストガスＧ１で吹き飛ばされる加工対象物６０の溶融物６４の飛ぶ方向を補助アシストガスＧ２により回収機構１５に向くように制御する構成であればよい。

なお、上述した実施形態のレーザ表面加工装置１０において、例えば、図２、図４、図８に示すように、補助アシストガス噴射ノズル３３ｂがレーザＬの照射領域Ｌａにおける範囲外の側部にも補助アシストガスＧ２を噴射するように構成されていてもよい。このレーザＬの照射領域Ｌａにおける範囲外の側部に噴射される補助アシストガスＧ２は、アシストガスＧ１に交差するように照射領域Ｌａに近づく方向に噴射されても、アシストガスＧ１と平行に噴射されてもよい。

［実施形態２］
以下に、本発明に係る第二のレーザ表面加工装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

図１１は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置を模式的に示す概略構成図である。図１２は、図１１に示すレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す正面図である。

本実施形態において加工対象物１６０は、配管など管状のもので長尺に延在するものである。レーザ表面加工装置１１０は、この加工対象物１６０の内周面にレーザ光（以下、レーザという）Ｌを照射して、加工対象物１６０の内周面を溶融し除去する。レーザ表面加工装置１１０は、移動機構となるマニピュレータ１１１と、レーザ照射装置１１２と、アシストガス供給装置１１３と、旋回流発生部１１４と、回収機構１１５と、制御装置１１６と、を備える。

マニピュレータ１１１は、例えば、６軸マニピュレータであり、その先端部には、レーザ照射装置１１２の一部である後述するレーザ照射ヘッド１２３が保持されている。このマニピュレータ１１１は、制御装置１１６に接続され、制御装置１１６によって動作が制御されることで、レーザ照射装置１１２から照射されるレーザＬの照射方向及び照射位置を変化させることができる。本実施形態のマニピュレータ１１１は、加工対象物１６０に対してレーザ照射装置１１２のレーザ照射ヘッド１２３を移動方向１７０に移動させる。つまり、移動方向１７０は、加工対象物１６０に対してレーザ照射位置が移動する方向となる。また、本実施形態では、マニピュレータ（移動機構）１１１でレーザ照射ヘッド１２３等を加工対象物１６０に対して移動させたが、加工対象物１６０とレーザ照射ヘッド１２３等とを相対移動させればよく、加工対象物１６０を移動させても、加工対象物１６０とレーザ照射ヘッド１２３等との両方を移動させてもよい。

レーザ照射装置１１２は、加工対象物１６０にレーザＬを照射する。レーザ照射装置１１２は、レーザ発振器１２１と、伝送ケーブル１２２によってレーザ発振器１２１に接続されるレーザ照射ヘッド１２３とを有する。レーザ発振器１２１は、レーザＬを照射し、制御装置１１６に接続されている。レーザ発振器１２１は、制御装置１１６によってレーザＬの照射が制御されることで、所定の出力となるレーザＬを照射する。伝送ケーブル１２２は、レーザ発振器１２１から照射されたレーザＬを、レーザ照射ヘッド１２３へ向けて導光する。レーザ照射ヘッド１２３は、伝送ケーブル１２２により導光されたレーザＬを、加工対象物１６０へ向けて照射している。

レーザ照射装置１１２は、レーザ照射ヘッド１２３が加工対象物１６０の中心に配置されている。レーザ照射装置１１２は、リング状でレーザＬを照射する。レーザ照射装置１１２は、レーザを回転させて、リング状に照射しても、リング状のレーザを照射してもよい。

マニピュレータ１１１は、レーザ照射装置１１２をリング状のレーザＬの中心を通り、レーザＬの進行方向と平行な方向に移動させる。つまり、移動機構１１１は、レーザ照射ヘッド１２３を加工対象物１６０の延在する軸方向に沿って移動させる。

アシストガス供給装置１１３は、加工対象物１６０にアシストガスＧを噴射する。アシストガス供給装置１１３は、アシストガス供給部１３１と、アシストガス供給ライン１３２によってアシストガス供給部１３１に接続されるアシストガス噴射ノズル１３３とを有する。アシストガス供給部１３１は、例えば、不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ_２）や、支燃性ガス（Ｏ_２）を供給し、制御装置１１６に接続されている。アシストガスの種類は、加工対象や加工雰囲気に応じて設定すればよい。アシストガス供給部１３１は、制御装置１１６によって不活性ガスの供給が制御されることで、所定の供給量で不活性ガスを供給する。アシストガス供給ライン１３２は、アシストガス供給部１３１から供給された不活性ガスを、アシストガス噴射ノズル１３３へ向けて流通させる。アシストガス噴射ノズル１３３は、レーザＬが照射される加工位置へ向けてアシストガスＧを噴射する。

アシストガス供給装置１１３は、アシストガス噴射ノズル１３３が加工対象物１６０の内部であって、レーザ照射装置１１２のレーザ照射ヘッド１２３に対面する位置に配置されている。アシストガス噴射ノズル１３３は、レーザ照射装置１１２及び、レーザＬの照射位置よりもレーザ照射ヘッド１２３の移動方向１７０の下流側に配置されている。そして、アシストガス噴射ノズル１３３は、リング状に照射されるレーザＬの中央からアシストガスＧを噴射する。

旋回流発生部１１４は、リング状に照射されるレーザＬに沿ってアシストガスＧに旋回流を生じさせる。旋回流発生部１１４は、図１１および図１２に示すように、アシストガス噴射ノズル１３３に対向する対向面１４１ａを有する円盤状の固定部材１４１と、固定部材１４１の対向面１４１ａの中央から径方向外側に設けられた螺旋部１４１ｂと、を有する。対向面１４１ａは、中央に螺旋部１４１ｂを有する円錐径状の突面１４１ａａが形成されている。螺旋部１４１ｂは、対向面１４１ａおよび突面１４１ａａの中央から径方向外側に螺旋状に延在する凸条または凹条により形成される。この旋回流発生部１１４は、固定部材１４１の対向面１４１ａがアシストガス噴射ノズル１３３に対向しており、その外周縁とアシストガス噴射ノズル１３３との隙間がアシストガスＧを噴射する噴射口１３３ａとして加工対象物１６０の内周面の全周に開口したリング形状に形成されている。旋回流発生部１１４は、アシストガスＧの流れを阻害しないようにアシストガス噴射ノズル１３３の管内に固定された支持部材１８４ａと、当該支持部材１８４ａからアシストガス噴射ノズル１３３の先端に向けて延在する支持棒１８４ｂとによりアシストガス噴射ノズル１３３の先端部で支持されている。

回収機構１１５は、加工対象物１６０から溶融された溶融物を回収する。回収機構１１５は、受け部１５１と、吸引ライン１５２と、吸引ポンプ１５３と、を有する。受け部１５１は、レーザ照射ヘッド１２３の移動方向１７０の下流側に配置されている。受け部１５１は、加工時に加工対象物１６０の近傍に配置されている。吸引ライン１５２は、受け部１５１と吸引ポンプ１５３に接続されている。吸引ポンプ１５３は、吸引ライン１５２を介して受け部１５１の空気を吸引する。回収機構１１５は、受け部１５１の空気を吸引ポンプ１５３で吸引することで、受け部１５１内の物質を吸引し、回収する。

回収機構１１５は、受け部１５１が、加工対象物１６０の内周面に沿って加工対象物１６０の管内部に挿入されて加工対象物１６０の管状に沿って延在する筒状に形成され、その内部にアシストガス供給装置１１３のアシストガス供給ライン１３２が挿入される。受け部１５１は、レーザ照射装置１１２に対面する位置に開口して配置される。

制御装置１１６は、マニピュレータ１１１、レーザ照射装置１１２、アシストガス供給装置１１３及び回収機構１１５の動作を制御する。

ここで、レーザ照射ヘッド１２３、アシストガス噴射ノズル１３３、受け部１５１は、相対的な位置関係が固定されている。このため、マニピュレータ１１１は、レーザ照射ヘッド１２３を移動させることで、レーザ照射装置１１２によるレーザＬの照射方向及び照射位置、アシストガス噴射ノズル１３３によるアシストガスの供給方向及び供給位置、受け部１５１の位置を、一体に移動させることができる。

このレーザ表面加工装置１１０は、図１１に示すように、アシストガス噴射ノズル１３３からアシストガスＧを加工対象物１６０の内周面に噴射しつつ、レーザ照射ヘッド１２３からレーザＬを加工対象物１６０の内周面に照射する。アシストガスＧは、加工対象物１６０のレーザＬが照射されているリング状の照射領域Ｌａに向けて噴射される。加工対象物１６０は、レーザＬが照射される位置が加熱され、溶融し、一部が溶融物１６４となる。溶融物１６４は、アシストガスＧにより吹き飛ばれる。アシストガスＧで吹き飛ばされた溶融物１６４は、移動方向１７０の下流側に移動して受け部１５１に回収される。レーザ表面加工装置１１０は、マニピュレータ１１１でレーザ照射ヘッド１２３、アシストガス噴射ノズル１３３、受け部１５１を移動方向１７０に移動させつつ、加工対象物１６０の内周面を溶融し、溶融物１６４を生成し、溶融物１６４をアシストガスＧで吹き飛ばし、受け部１５１で回収することで、加工対象物１６０の内周面の一部を除去する。

ここで、アシストガス供給装置１１３は、加工対象物１６０にある溶融物１６４の表面張力の２倍以上の衝突力で加工対象物１６０にアシストガスＧを噴射する。衝突力Ｆｉ［Ｎ］は、アシストガス流速ｖ［ｍ／ｓ］、アシストガス密度ρ［ｋｇ/ｍ^３］、有効アシストガス流量Ｑ［ｍ^３/ｓ］、レーザ照射幅Ｌ［ｍ］、有効幅ｂ［ｍ］に基づいて下記式で算出する。

これにより、溶融層の底部、つまり溶融物１６４と加工対象物１６０の境界を露出させるもしくは残存する溶融層厚を極力小さくすることができ、レーザＬによる加工を効率よく行うことができる。

本実施形態のレーザ表面加工装置１１０は、旋回流発生部１１４を有する。従って、アシストガス噴射ノズル１３３から噴射されるアシストガスＧは、加工対象物１６０の管の中央から径方向外側（放射方向）に向かって旋回流となって加工対象物１６０の内周面に至る。これにより、アシストガスＧの旋回成分により吹き飛ばした溶融物１６４を巻き込むようにして受け部１５１内に運ぶことになる。この結果、受け部１５１の開口部に溶融物１６４が堆積することを防止できる。しかも、溶融物１６４を加工対象物１６０の内周面から除去し易くすることができる。この結果、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

図１３は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１４は、図１３に示すレーザ表面加工装置のノズル周辺を示す正面図である。

図１３および図１４に示すレーザ表面加工装置１１０は、図１１および図１２に示す上述したレーザ表面加工装置１１０に対し、アシストガス噴射ノズル２３３および旋回流発生部２１４の構成が異なる。従って、図１３および図１４に示すレーザ表面加工装置１１０の説明において、図１１および図１２に示す上述したレーザ表面加工装置１１０と同等部分には同一の符号を付して説明を省略する。

アシストガス噴射ノズル２３３は、レーザ照射ヘッド１２３の周り囲んでレーザ照射ヘッド１２３に取り付けられ、レーザ照射ヘッド１２３から照射されるレーザＬのリング状に合わせてアシストガスＧを噴射するようにリング状に形成されている。アシストガス噴射ノズル２３３は、レーザＬのリング状に向けてアシストガスＧを噴射する噴射口２３３ａが設けられている。

旋回流発生部２１４は、リング状に形成されたアシストガス噴射ノズル２３３の内面に設けられた螺旋部をなす。螺旋部は、アシストガス噴射ノズル２３３の内面において噴射口２３３ａに向けて螺旋状に延在する凸条または凹条により形成される。

レーザ表面加工装置１１０は、図１３に示すように、アシストガス噴射ノズル２３３からアシストガスＧを加工対象物１６０の内周面に噴射しつつ、レーザ照射ヘッド１２３からレーザＬを加工対象物１６０の内周面に照射する。アシストガスＧは、加工対象物１６０のレーザＬが照射されているリング状の照射領域Ｌａに向けて噴射される。加工対象物１６０は、レーザＬが照射される位置が加熱され、溶融し、一部が溶融物１６４となる。溶融物１６４は、アシストガスＧにより吹き飛ばれる。アシストガスＧで吹き飛ばされた溶融物１６４は、移動方向１７０の下流側に移動して受け部１５１に回収される。レーザ表面加工装置１１０は、マニピュレータ１１１でレーザ照射ヘッド１２３、アシストガス噴射ノズル２３３、受け部１５１を移動方向１７０に移動させつつ、加工対象物１６０の内周面を溶融し、溶融物１６４を生成し、溶融物１６４をアシストガスＧで吹き飛ばし、受け部１５１で回収することで、加工対象物１６０の内周面の一部を除去する。

図１３および図１４に示すレーザ表面加工装置１１０は、旋回流発生部２１４を有する。従って、アシストガス噴射ノズル２３３から噴射されるアシストガスＧは、加工対象物１６０の管の内周面に沿ってリング状に噴射されると共に、当該リング状を渦巻きとする旋回流となって加工対象物１６０の内周面に至る。これにより、アシストガスＧの旋回成分により吹き飛ばした溶融物１６４を巻き込むようにして受け部１５１内に運ぶことになる。この結果、受け部１５１の開口部に溶融物１６４が堆積することを防止できる。しかも、溶融物１６４を加工対象物１６０の内周面から除去し易くすることができる。この結果、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

図１５および図１６は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。図１７は、図１５および図１６に示すレーザ表面加工装置の回収機構を示す縦断面図である。

図１５に示すレーザ表面加工装置１１０は、図１１に示す上述したレーザ表面加工装置１１０に対し、回収機構１１５の受け部１５１の構成が異なる。また、同様に図１６に示すレーザ表面加工装置１１０は、図１３に示す上述したレーザ表面加工装置１１０に対し、回収機構１１５の受け部１５１の構成が異なる。従って、図１５および図１６に示すレーザ表面加工装置１１０の説明において、図１１および図１３に示す上述したレーザ表面加工装置１１０と同等部分には同一の符号を付して説明を省略する。

回収機構１１５の受け部１５１は、旋回流発生部３１４を有する。旋回流発生部３１４は、筒状に形成された受け部１５１の筒の内周面に設けられた螺旋部をなす。螺旋部は、受け部１５１の筒の延在方向に沿って螺旋状に延在する凸条または凹条により形成される。

このレーザ表面加工装置１１０は、図１５および図１６に示すように、アシストガス噴射ノズル１３３，２３３からアシストガスＧを加工対象物１６０の内周面に噴射しつつ、レーザ照射ヘッド１２３からレーザＬを加工対象物１６０の内周面に照射する。アシストガスＧは、加工対象物１６０のレーザＬが照射されているリング状の照射領域Ｌａに向けて噴射される。加工対象物１６０は、レーザＬが照射される位置が加熱され、溶融し、一部が溶融物１６４となる。溶融物１６４は、アシストガスＧにより吹き飛ばれる。アシストガスＧで吹き飛ばされた溶融物１６４は、移動方向１７０の下流側に移動して受け部１５１に回収される。レーザ表面加工装置１１０は、マニピュレータ１１１でレーザ照射ヘッド１２３、アシストガス噴射ノズル１３３，２３３、受け部１５１を移動方向１７０に移動させつつ、加工対象物１６０の内周面を溶融し、溶融物１６４を生成し、溶融物１６４をアシストガスＧで吹き飛ばし、受け部１５１で回収することで、加工対象物１６０の内周面の一部を除去する。

図１５および図１６に示すレーザ表面加工装置１１０は、旋回流発生部３１４を有する。従って、アシストガス噴射ノズル２３３から噴射されるアシストガスＧは、加工対象物１６０の管の内周面に沿ってリング状に噴射されると共に、当該リング状を渦巻きとする旋回流となって加工対象物１６０の内周面に至る。これにより、アシストガスＧの旋回成分により吹き飛ばした溶融物１６４を巻き込むようにして受け部１５１内に運ぶことになる。この結果、受け部１５１の開口部に溶融物１６４が堆積することを防止できる。しかも、溶融物１６４を加工対象物１６０の内周面から除去し易くすることができる。この結果、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

また、図１５から図１７に示すようにレーザ表面加工装置１１０は、回収機構１１５の受け部１５１に旋回流発生部３１４を有する。従って、受け部１５１において溶融物１６４を回収する気流が旋回流となって溶融物１６４を巻き込むようにして受け部１５１内を通過することになる。この結果、受け部１５１内に溶融物１６４が堆積することを防止できる。そして、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

図１８および図１９は、実施形態２に係るレーザ表面加工装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。

図１８に示すレーザ表面加工装置１１０は、図１１に示す上述したレーザ表面加工装置１１０に対し、旋回流発生部１１４が設けられておらず、回収機構１１５の受け部１５１の構成が異なる。また、同様に図１９に示すレーザ表面加工装置１１０は、図１３に示す上述したレーザ表面加工装置１１０に対し、旋回流発生部２１４が設けられておらず、回収機構１１５の受け部１５１の構成が異なる。従って、図１８および図１９に示すレーザ表面加工装置１１０の説明において、図１１および図１３に示す上述したレーザ表面加工装置１１０と同等部分には同一の符号を付して説明を省略する。

回収機構１１５の受け部１５１は、旋回流発生部３１４を有する。旋回流発生部３１４は、筒状に形成された受け部１５１の筒の内周面に設けられた螺旋部をなす。螺旋部は、受け部１５１の筒の延在方向に沿って螺旋状に延在する凸条または凹条により形成される（図１７参照）。

このレーザ表面加工装置１１０は、図１８および図１９に示すように、アシストガス噴射ノズル１３３，２３３からアシストガスＧを加工対象物１６０の内周面に噴射しつつ、レーザ照射ヘッド１２３からレーザＬを加工対象物１６０の内周面に照射する。アシストガスＧは、加工対象物１６０のレーザＬが照射されているリング状の照射領域Ｌａに向けて噴射される。加工対象物１６０は、レーザＬが照射される位置が加熱され、溶融し、一部が溶融物１６４となる。溶融物１６４は、アシストガスＧにより吹き飛ばれる。アシストガスＧで吹き飛ばされた溶融物１６４は、移動方向１７０の下流側に移動して受け部１５１に回収される。レーザ表面加工装置１１０は、マニピュレータ１１１でレーザ照射ヘッド１２３、アシストガス噴射ノズル１３３，２３３、受け部１５１を移動方向１７０に移動させつつ、加工対象物１６０の内周面を溶融し、溶融物１６４を生成し、溶融物１６４をアシストガスＧで吹き飛ばし、受け部１５１で回収することで、加工対象物１６０の内周面の一部を除去する。

図１８および図１９に示すレーザ表面加工装置１１０は、回収機構１１５の受け部１５１に旋回流発生部３１４を有する。従って、受け部１５１において溶融物１６４を回収する気流が旋回流となって溶融物１６４を巻き込むようにして受け部１５１内を通過することになる。この結果、受け部１５１内に溶融物１６４が堆積することを防止できる。そして、レーザにより溶融された溶融物の回収効率を向上することができる。

１０レーザ表面加工装置
１１マニピュレータ（移動機構）
１２レーザ照射装置
１３アシストガス供給装置
１４補助アシストガス供給装置
１５回収機構
１６制御装置
１８支持フレーム
２１レーザ発振器
２２伝送ケーブル
２３レーザ照射ヘッド
３１アシストガス供給部
３２アシストガス供給ライン
３３アシストガス供給ヘッド
３３ａアシストガス噴射ノズル
３３ｂ補助アシストガス噴射ノズル
４８支持部材
５１受け部
５２吸引ライン
５３吸引ポンプ
６０加工対象物
６４溶融物
７０移動方向
１１０レーザ表面加工装置
１１１マニピュレータ（移動機構）
１１２レーザ照射装置
１１３アシストガス供給装置
１１４旋回流発生部
１１５回収機構
１１６制御装置
１２１レーザ発振器
１２２伝送ケーブル
１２３レーザ照射ヘッド
１３１アシストガス供給部
１３２アシストガス供給ライン
１３３アシストガス噴射ノズル
１３３ａ噴射口
１４１固定部材
１４１ａ対向面
１４１ａａ突面
１４１ｂ螺旋部
１４８ａ支持部材
１４８ｂ支持棒
１５１受け部
１５２吸引ライン
１５３吸引ポンプ
１６０加工対象物
１６４溶融物
１７０移動方向
２１４旋回流発生部
２３３アシストガス噴射ノズル
２３３ａ噴射口
３１４旋回流発生部
Ｇアシストガス
Ｇ１アシストガス
Ｇ１ｃアシストガス中心線
Ｇ２補助アシストガス
Ｌレーザ光（レーザ）

Claims

管状に延在する加工対象物の内周面に沿ってリング状にレーザを照射するレーザ照射装置と、
前記加工対象物のレーザが照射されている照射領域にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
前記レーザ照射装置と前記加工対象物とを管状の延在方向に相対移動させる移動機構と、
レーザが照射され溶融した前記加工対象物を回収する回収機構と、
リング状に照射される前記レーザの照射軌跡に沿って前記アシストガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部と、を有し、
前記アシストガス供給装置は、リング状に照射される前記レーザの中央からアシストガスを噴射するアシストガス噴射ノズルを有し、
前記旋回流発生部は、アシストガス噴射ノズルに対向する対向面を有する円盤状の固定部材と、前記固定部材の対向面の中央から径方向外側に設けられた螺旋部と、を有することを特徴とするレーザ表面加工装置。
管状に延在する加工対象物の内周面に沿ってリング状にレーザを照射するレーザ照射装置と、
前記加工対象物のレーザが照射されている照射領域にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
前記レーザ照射装置と前記加工対象物とを管状の延在方向に相対移動させる移動機構と、
レーザが照射され溶融した前記加工対象物を回収する回収機構と、
リング状に照射される前記レーザの照射軌跡に沿って前記アシストガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部と、を有し、
前記アシストガス供給装置は、前記レーザのリング状に合わせてアシストガスを噴射するリング状のアシストガス噴射ノズルを有し、
前記旋回流発生部は、アシストガス噴射ノズルの内面に設けられた螺旋部を有することを特徴とするレーザ表面加工装置。
管状に延在する加工対象物の内周面に沿ってリング状にレーザを照射するレーザ照射装置と、
前記加工対象物のレーザが照射されている照射領域にアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
前記レーザ照射装置と前記加工対象物とを管状の延在方向に相対移動させる移動機構と、
レーザが照射され溶融した前記加工対象物を回収する回収機構と、
リング状に照射される前記レーザの照射軌跡に沿って前記アシストガスに旋回流を生じさせる旋回流発生部と、を有し、
前記回収機構は、前記レーザのリング状に合わせて開口が設けられて前記加工対象物の管状の延在方向に沿って延在する筒状に形成され、
前記旋回流発生部は、前記回収機構の筒の内周面に設けられた螺旋部を有することを特徴とするレーザ表面加工装置。