JP7146420B2 - Laser processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus.
真空などの低圧雰囲気下でレーザ加工装置を用いて溶接を行う際に、レーザ照射時に発生する蒸発物質の透過窓(保護窓)への付着を防止する技術が知られている。 2. Description of the Related Art There is known a technique for preventing adhesion of vaporized substances generated during laser irradiation to a transmission window (protection window) when welding is performed using a laser processing apparatus in a low-pressure atmosphere such as a vacuum.
特許文献1は、透過窓と、被加工物との間に位置するビームガイドの内周面に凹凸が設けられているレーザ加工装置を開示している。 Patent Literature 1 discloses a laser processing apparatus in which unevenness is provided on the inner peripheral surface of a beam guide positioned between a transmission window and a workpiece.
特許文献1に記載の技術は、ビームガイドの内周面に凹凸を設け、かつビームガイドの内部にシールドガスを噴射することで、ビームガイドの内部への蒸発物質の侵入を防止している。特許文献1に記載の技術は、大気圧から中真空程度までの真空度においては有効な技術である。しかしながら、蒸発物質の状態が分子流領域となる高真空(10-1Pa以下)においては、ビームガイドから侵入した蒸発物質は直線的に飛ぶため、ビームガイドの内部に設けた凹凸の効果が小さくなる。また、シールドガスを単に噴射しただけでは、分子流の蒸発物質に、シールドガスの分子が衝突しづらくなるので、シールドガスを噴射した効果も小さくなる恐れがある。そのため、特許文献1には、高真空で溶接する際には、保護窓に蒸発物質が付着することを防止できない可能性がある。 The technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-200000 prevents vaporized substances from entering the inside of the beam guide by forming unevenness on the inner peripheral surface of the beam guide and injecting a shield gas into the inside of the beam guide. The technique described in Patent Literature 1 is an effective technique at a degree of vacuum ranging from atmospheric pressure to a medium vacuum. However, in a high vacuum (10 -1 Pa or less) where the state of the evaporated substances is in the molecular flow region, the evaporated substances entering from the beam guide fly straight, so the effect of the unevenness provided inside the beam guide is small. Become. In addition, simply injecting the shield gas makes it difficult for the molecules of the shield gas to collide with the vaporized substances in the molecular flow, so the effect of injecting the shield gas may be reduced. Therefore, in Patent Document 1, there is a possibility that it is not possible to prevent evaporation substances from adhering to the protective window when performing welding in a high vacuum.
本発明は上述した課題を解決するものであり、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a laser processing apparatus capable of suppressing adhesion of vaporized substances entering a laser irradiation nozzle to a protective window during welding in a high vacuum. and
本発明の第1の態様のレーザ加工装置は、チャンバと、前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられ、中央部に前記レーザ照射ノズルの内径に基づいて穴径が設計された穴部を有するコンダクタンス板と、前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、を備え、前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する。 A laser processing apparatus according to a first aspect of the present invention includes a chamber, a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light, a laser irradiation nozzle provided inside the chamber, and a condenser lens. a laser head having a protective window; a shield gas injection device for injecting shield gas into an internal space of the laser irradiation nozzle; a conductance plate having a hole in the center with a hole diameter designed based on the inner diameter of the laser irradiation nozzle; and an exhaust device for controlling the pressure inside the chamber, wherein the conductance plate The flow of vaporized material in the internal space of the laser irradiation nozzle is controlled to be a medium flow or a viscous flow.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するとともに、レーザ照射ノズルの内部空間に設けられたコンダクタンス板を冷却することができる。したがって、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することができる。 With this structure, the shield gas can be injected into the internal space of the laser irradiation nozzle, and the conductance plate provided in the internal space of the laser irradiation nozzle can be cooled. Therefore, when welding in a high vacuum, it is possible to suppress adhesion of vaporized substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
また、前記コンダクタンス板は、中央部に穴部を有する円環状の形状を有しており、前記レーザ照射ノズルの内径がD(m)、前記コンダクタンス板のコンダクタンスがCである場合、D>3.3・R・T/√2・NA・π・σ2・{(Qg/C)+P0}を満たすことが好ましい。ここで、R:気体定数、T(K):絶対温度、NA:アボガドロ定数、σ(m):シールドガスの分子の直径、Qg(Pa・m3/s):シールドガスの供給量、P0(Pa):チャンバ内の圧力である。 Further, the conductance plate has an annular shape with a hole in the center. .3· R ·T/√2·NA·π·σ 2 ·{(Q g /C)+P 0 } is preferably satisfied. where, R : gas constant, T (K): absolute temperature, NA: Avogadro's constant, σ (m): molecular diameter of shielding gas, Q g (Pa·m 3 /s): supply rate of shielding gas , P 0 (Pa): the pressure in the chamber.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れが制御される。したがって、シールドガスの効果が向上するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 This structure controls the flow of vaporized material in the internal space of the laser irradiation nozzle. Therefore, since the effect of the shield gas is improved, it is possible to further suppress adhesion of vaporized substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
また、前記レーザ照射ノズルの内径D(m)は、D>2.1・10-2/{(10/C)+100}を満たすことが好ましい。 Also, the inner diameter D (m) of the laser irradiation nozzle preferably satisfies D>2.1·10 −2 /{(10/C)+100}.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れを適切に制御することができる。したがって、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 With this structure, it is possible to appropriately control the flow of vaporized material in the internal space of the laser irradiation nozzle. Therefore, it is possible to further suppress adhesion of evaporated substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
また、前記コンダクタンス板を複数備え、複数の前記コンダクタンス板の穴は、下流側に向けて徐々に小さくなることが好ましい。 Moreover, it is preferable that a plurality of the conductance plates are provided, and the holes of the plurality of conductance plates gradually become smaller toward the downstream side.
この構造により、蒸発物質のレーザ照射ノズルへの侵入を物理的に抑制することができる。したがって、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 With this structure, it is possible to physically suppress the intrusion of vaporized substances into the laser irradiation nozzle. Therefore, it is possible to further suppress adhesion of evaporated substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
また、前記コンダクタンス板を冷却する冷却部を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable to provide a cooling part for cooling the conductance plate.
この構造により、コンダクタンス板を冷却することができる。したがって、レーザ照射ノズルの内部に侵入した蒸発物質が冷却されることによって、固体化し、コンダクタンス板に付着するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 This structure allows the conductance plate to be cooled. Therefore, the vaporized material that has entered the inside of the laser irradiation nozzle is cooled, solidified, and adheres to the conductance plate, so that the vaporized material that has entered the laser irradiation nozzle can be further suppressed from adhering to the protective window. .
また、前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気するノズル排気装置を備えることが好ましい。 Moreover, it is preferable to provide a nozzle exhaust device provided in the laser irradiation nozzle for exhausting the shield gas injected into the internal space of the laser irradiation nozzle to the outside.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間に侵入したシールドガスを外部に排気することができる。したがって、シールドガスの供給量を上げることができるので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 With this structure, the shielding gas that has entered the internal space of the laser irradiation nozzle can be exhausted to the outside. Therefore, since the supply amount of the shield gas can be increased, it is possible to further suppress adhesion of vaporized substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
本発明の第2の態様のレーザ加工装置は、チャンバと、前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、前記集光レンズを保護する保護窓とを有するレーザヘッドと、前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気する排気装置を備える。 A laser processing apparatus according to a second aspect of the present invention includes a chamber, a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light, a laser irradiation nozzle provided inside the chamber, and a condenser lens. a laser head having a protective window for protecting the condenser lens; a shield gas injection device for injecting shield gas into an internal space of the laser irradiation nozzle; An exhaust device is provided for exhausting the shield gas injected into the space to the outside.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するとともに、レーザ照射ノズルの内部に噴射されたシールドガスをチャンバの外に排気することができる。したがって、高真空で溶接する際に、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着を抑制することができる。 With this structure, the shield gas can be injected into the internal space of the laser irradiation nozzle, and the shield gas injected into the inside of the laser irradiation nozzle can be exhausted to the outside of the chamber. Therefore, when welding in a high vacuum, it is possible to suppress adhesion of vaporized substances that have entered the laser irradiation nozzle to the protective window.
また、前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板を備えることが好ましい。 Further, it is preferable that the internal space includes a conductance plate provided downstream of the protective window in the irradiation direction of the laser beam.
この構造により、レーザ照射ノズルの内部空間における蒸発物質の流れが制御される。これにより、シールドガスの効果が向上するので、レーザ照射ノズルへ侵入した蒸発物質の保護窓への付着をより抑制することができる。 This structure controls the flow of vaporized material in the internal space of the laser irradiation nozzle. As a result, the effect of the shielding gas is improved, so that deposition of vaporized substances that have entered the laser irradiation nozzle onto the protective window can be further suppressed.
以下に添付図面を参照して、本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、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て構成するものも含む。 A preferred embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the present invention is not limited by this embodiment, and when there are a plurality of embodiments, a combination of each embodiment is also included.
図1を用いて、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略について説明する。図1は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略を示す模式図である。なお、本発明と直接的に関連のない構成要素については、詳細な説明および図示を省略している。 An outline of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. Detailed descriptions and illustrations of components that are not directly related to the present invention are omitted.
図1に示すように、レーザ加工装置10は、チャンバ11と、レーザ発振器12と、シールドガス噴射装置13と、排気装置14と、移動機構15と、制御装置16と、光ファイバケーブル21と、レーザヘッド30と、コンダクタンス板40と、冷却部50とを備える。本実施形態において、レーザ加工装置10は、例えば、真空中において、加工対象物Tを溶接するための装置である。
As shown in FIG. 1, the
チャンバ11は、その内部空間において、真空を形成する容器である。本実施形態において、真空とは、例えば、10-1(Pa:パスカル)オーダー以下の高真空を想定している。
The
レーザ発振器12は、チャンバ11の外部に設けられ、加工対象物Tに対して照射するための、レーザを発振する。レーザ発振器12は、光ファイバケーブル21を介して、レーザヘッド30と接続されている。この場合、レーザ発振器12によって発振されたレーザは、光ファイバケーブル21を介してレーザヘッド30に伝搬された後、レーザ光Lとして加工対象物Tに照射される。
The
シールドガス噴射装置13は、チャンバ11の外部に設けられ、シールドガス供給配管22を介して、レーザヘッド30が有するレーザ照射ノズル31の内部空間にシールドガスを供給する。シールドガス噴射装置13には、圧力調整器131と、流量調整器132とが接続されている。圧力調整器131は、シールドガス噴射装置13がレーザ照射ノズル31の内部に噴射するシールドガスの圧力を調整する。流量調整器132は、シールドガス噴射装置13がレーザ照射ノズル31の内部に噴射するシールドガスの流量を調整する。本実施形態において、シールドガスは、窒素、アルゴンなどである。
The shield
排気装置14は、チャンバ11の外部に設けられ、チャンバ11の内部の空気を排気することによって、チャンバ11の内部に真空を形成する。排気装置14は、例えば、真空ポンプで実現することができる。
The
移動機構15は、チャンバ11の内部に設けられ、チャンバ11の内部において、レーザヘッド30を移動させる。移動機構15に特に制限はないが、例えば、移動機構15は、レーザヘッド30を、3次元の方向に加え、光軸を中心とする角度方向に移動させる。なお、図1では、直交座標系を使用しており、x方向は左右方向、y方向は前後方向(奥行方向)、z方向は高さ方向である。
The moving
制御装置16は、チャンバ11の外部に設けられ、レーザ発振器12と、シールドガス噴射装置13と、圧力調整器131と、流量調整器132と、排気装置14と、移動機構15とに接続されている。制御装置16は、各装置を制御することによって、レーザ加工装置10の動作を制御している。制御装置16は、例えば、レーザ発振器12を制御することで、レーザヘッド30から照射されるレーザ光Lの条件を調整する。制御装置16は、例えば、シールドガス噴射装置13と、圧力調整器131と、流量調整器132を制御することで、レーザ照射ノズル31の内部に噴射されるシールドガスの圧力と、流量とを調整する。制御装置16は、例えば、排気装置14を制御することで、チャンバ11内部の圧力を調整する。制御装置16は、例えば、移動機構15を制御することで、レーザヘッド30を移動させ、加工対象物Tに対するレーザ光Lの照射位置を調整する。このような制御装置16は、CPU(Central Processing Unit)を含む電子的な回路を備えた装置で実現することができる。
The
光ファイバケーブル21は、チャンバ11の外部に設けられたレーザ発振器12と、チャンバ11の内部に設けられたレーザヘッド30とを接続している。光ファイバケーブル21は、レーザ発振器12で発振されたレーザ光をレーザヘッド30に伝搬する。
An
レーザヘッド30は、チャンバ11の内部に設けられ、レーザ照射ノズル31と、集光レンズ32と、保護窓33とを有する。レーザ照射ノズル31は、例えば、円筒形状を有しており、内部において、レーザ発振器12から供給されたレーザ光を通過させるノズルである。集光レンズ32は、レーザ照射ノズル31の内部において、レーザ発振器12から供給されたレーザを集光する。保護窓33は、レーザ照射ノズル31の内部において、集光レンズ32よりもレーザ光Lの照射方向の下流側に設けられ、加工対象物Tにレーザ光Lが照射された際に発生するヒュームなどの蒸発物質から集光レンズ32を保護する。これにより、レーザ照射ノズル31の先端から保護窓33を介してレーザ光Lが照射される。
The
コンダクタンス板40は、具体的には後述するが、保護窓33よりもレーザ光Lの照射方向の下流側に設けられた少なくとも1つの円環状の板である。コンダクタンス板40は、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質の流れを、分子流から中間流または粘性流となるように制御する。
The
冷却部50は、具体的には後述するが、レーザ照射ノズル31の外部において、少なくともコンダクタンス板40が設けられている領域に設けられている。冷却部50に特に制限はないが、例えば、内部に液体冷媒を供給することのできる冷却器である。
The cooling
ここで、図2を用いて、チャンバ11の内部の圧力について説明する。図2は、チャンバ11の内部空間におけるガスの流れを示す図である。
Here, the pressure inside the
図2では、チャンバ11の内部の圧力がP(Pa)となった状態で加工することを考える。この時、排気装置14の排気速度をS(m3/s)とすると、排気装置14の排気量は、PS(Pa・m3/s)と表すことができる。また、チャンバ11の内壁からの脱ガス量をQC(Pa・m3/s)、溶接時に加工対象物Tから発生するガス量をQW(Pa・m3/s)、レーザ照射ノズル31に供給されたシールドガス量をQg(Pa・m3/s)、排気装置14の到達圧力をP0(Pa)とする。この場合、各パラメータは、以下の関係式を満たす。
Qg=PS-(QC+QW+P0S)・・・(1)
In FIG. 2, it is assumed that processing is performed while the pressure inside the
Qg=PS-( QC + QW + P0S ) ( 1 )
式(1)に示すように、チャンバ11の内部を所定の圧力P(Pa)の状態の保持するためには、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)が、以下の関係式を満たす必要がある。
Qg≦PS-(QC+QW+P0S)・・・(2)
As shown in formula (1), in order to maintain the state of the predetermined pressure P (Pa) inside the
Qg≦PS-( QC + QW + P0S ) ( 2 )
具体的には、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)が多いほど、レーザ照射ノズル31に侵入した蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができる。これにより、蒸発物質の保護窓33への付着を防止することができる。しかしながら、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)が多くなると、チャンバ11の内部の圧力が高くなってしまう。本実施形態では、制御装置16はシールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)を制御するために、図示しない圧力計などによってチャンバ11の内部の圧力を取得する。そして、制御装置16は、取得した圧力の値をフィードバックし、式(2)に従って、流量調整器132を制御することで、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)を制御する。すなわち、制御装置16は、チャンバ11の圧力を真空に保持したまま、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/s)を適切に調整することができる。
Specifically, the larger the supply amount Q g (Pa·m 3 /s) of the shielding gas, the closer the flow of the vaporized material entering the
[第1実施形態]
図3を用いて、第1実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図3は、第1実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。
[First embodiment]
The configuration of the laser head of the laser processing apparatus according to the first embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing an example of the cross-sectional configuration of the laser head of the laser processing apparatus according to the first embodiment.
図3に示すように、レーザ照射ノズル31の内部には、集光レンズ32と、集光レンズ32よりもレーザ光Lの照射方向の下流側に保護窓33とが設けられている。そして、保護窓33の近傍にシールドガス供給配管22が接続されており、シールドガスが供給される。なお、シールドガス供給配管22は、レーザ照射ノズル31の外形に沿って、複数設けられていてもよい。また、レーザ照射ノズル31の内部において、保護窓33よりもレーザ光Lの照射方向の下流側において、第1コンダクタンス板41と、第2コンダクタンス板42と、第3コンダクタンス板43と、第4コンダクタンス板44とを備える。また、レーザ照射ノズル31は、少なくとも第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44と、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44が設けられている領域においてレーザ照射ノズル31とを冷却するための冷却部50を備えている。
As shown in FIG. 3, inside the
本実施形態では、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44は、レーザ照射ノズル31の内面に沿って設けられ、穴径d(m)を有する円環状の部品である。また、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44は、同一の形状を有している。第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44を内部に設けることによって、レーザ照射ノズル31の内部空間を流れる蒸発物質の状態を分子流から中間流または粘性流に調整することができる。なお、本実施形態では、4枚のコンダクタンス板を備えているが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。
In this embodiment, the
ここで、レーザ照射ノズル31の内径D(m)と、各コンダクタンス板の穴径との関係について説明する。レーザ照射ノズル31の内部にN(Nは1以上の整数)枚のコンダクタンス板が設けられ、第Nコンダクタンス板の穴径がdN(m)である場合、そのコンダクタンス板のコンダクタンスCN(m3/s)は、以下の関係式を満たす。
CN=116・(π・(dN/2)2)/[1-{(π・(dN/2)2)/(π・(D/2)2)}] ・・・(3)
Here, the relationship between the inner diameter D (m) of the
C N =116·(π·(d N /2) 2 )/[1−{(π·(d N /2) 2 )/(π·(D/2) 2 )}] (3 )
N枚のコンダクタンス板の総コンダクタンスC(m3/s)は以下の関係式で算出することができる。
C=1/{(1/C1)+(1/C2)+・・・+(1/CN)}・・・(4)
The total conductance C (m 3 /s) of N conductance plates can be calculated by the following relational expression.
C=1/{(1/C 1 )+(1/C 2 )+...+(1/C N )}...(4)
この場合、レーザ照射ノズル31の内径D(m)は以下の関係式を満たす。
D>2.1・10-2/{(10/C)+100}・・・(5)
In this case, the inner diameter D(m) of the
D>2.1·10 −2 /{(10/C)+100} (5)
図4に示すように、レーザ照射ノズル31の内部空間における分子の状態はクヌーセン数Kによって求めることができる。クヌーセン数Kは、分子の平均自由工程をλ(m)、レーザ照射ノズル31の管径をD(m)とした場合に、λ/Dで定義される値である。クヌーセン数が、K<0.01の場合、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質は粘性流となる。クヌーセン数が、0.01<K<0.3の場合、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質は中間流となる。クヌーセン数が、K>0.3の場合、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質は分子流となる。すなわち、レーザ照射ノズル31の外形に基づいて、クヌーセン数がK<0.3となるように第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44の穴径を設計することによって、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質の状態を分子流から中間流または粘性流に制御することができる。
As shown in FIG. 4, the state of molecules in the internal space of the
具体的には、下記の式(6)の関係を満たす時に、蒸発物質の状態は中間流または粘性流となる。
D=λ/K>λ/0.3(≒3.3λ)・・・(6)
レーザ照射ノズル31における平均自由工程λ(m)は、気体定数をR、絶対温度をT(K)、アボガドロ定数をNA、シールドガスの分子の直径をσ(m)、レーザ照射ノズル31の内部空間の圧力をPg(Pa)とした場合、以下の関係式を満たす。
λ=R・T/√2・NA・π・σ2・Pg・・・(7)
Specifically, when the relationship of the following formula (6) is satisfied, the state of the vaporized substance becomes intermediate flow or viscous flow.
D=λ/K>λ/0.3 (≈3.3λ) (6)
The mean free path λ (m) in the
λ=R・T/√2・N A・π・σ 2・P g (7)
ここで、シールドガスの供給量をQg(Pa・m3/s)、レーザ照射ノズル31の内部空間のコンダクタンスをC(m3/s)、チャンバ内の圧力をP0(Pa)とした場合、レーザ照射ノズル31の内部空間の圧力Pg(Pa)は、以下の関係式を満たす。
Pg=(Qg/C)+P0・・・(8)
Here, the shielding gas supply amount is Q g (Pa·m 3 /s), the conductance of the internal space of the
Pg = ( Qg /C)+P0 (8)
そして、R≒8.31(JK-1mol-1)、T=298(K)、NA≒6.02・1023(mol-1)、σ≒3.8・10-10(m)(シールドガスが窒素の場合)、Qg=10(m3/s)、P0=100(Pa)を式(6)と、式(7)と、式(8)とに代入することによって、式(5)を算出することができる。 Then, R≈8.31 (JK −1 mol −1 ), T=298 (K), N A ≈6.02·10 23 (mol −1 ), σ≈3.8·10 −10 (m) (When the shielding gas is nitrogen), by substituting Q g =10 (m 3 /s) and P 0 =100 (Pa) into equations (6), (7), and (8), , equation (5) can be calculated.
再び図3を参照する。冷却部50は、例えば、少なくとも第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44を含む領域でレーザ照射ノズル31を冷却する。
Refer to FIG. 3 again. The cooling
図5を用いて、冷却部50について説明する。図5は、冷却部50の構成の一例を示す模式図である。図5に示すように、冷却部50は、例えば、レーザ照射ノズル31の外周に巻き付けられ、液体冷媒が供給される液体流路である。蒸発物質は気体なので、レーザ照射ノズル31の内面や、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44に衝突すると冷却され、固体化する。このため、蒸発物質は、レーザ照射ノズル31の内面や、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44に付着しやすくなる。これにより、蒸発物質の、レーザ照射ノズル31の上流領域への侵入が防止されるので、蒸発物質の保護窓への付着が防止される。なお、冷却部50は、レーザ照射ノズル31の全体にわたって設けられており、レーザ照射ノズル31の全体を冷却してもよい。
The cooling
次に、図6を用いて、コンダクタンス板の変形例について説明する。図6は、コンダクタンス板の変形例を示す模式図である。 Next, a modified example of the conductance plate will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram showing a modification of the conductance plate.
図3に図示した、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44は、それぞれ、同一の形状を有している。ここで、レーザ光Lは、集光レンズ32によって加工対象物Tの位置に焦点を持つように集光されるので、レーザ照射ノズル31の先端に行くに従って径が細くなる。したがって、レーザ光Lの径の大きさに従って、第1コンダクタンス板41~第4コンダクタンス板44のそれぞれの穴径を小さく形成することができる。
The first to
図6に示すように、第1コンダクタンス板41Aの穴径はd1(m)である。第2コンダクタンス板42Aの穴径はd2(m)である。第3コンダクタンス板43Aの穴径はd3(m)である。第4コンダクタンス板44Aの穴径はd4(m)である。この場合、d4<d3<d2<d1となるように形成されている。これにより、蒸発物質のレーザ照射ノズル31への侵入が物理的に抑制されるので、レーザ照射ノズル31の内部に侵入する蒸発物質の量が少なくなり、保護窓への蒸発物質の付着がより抑制される。なお、本実施形態では、各コンダクタンス板が円環状の板であるものとして説明したが、これは例示であり、本発明を限定するものではない。各コンダクタンス板は、例えば、断面がT字形状の板であってもよい。
As shown in FIG. 6, the hole diameter of the
上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル31の内部空間にコンダクタンス板を設けることによって、レーザ照射ノズル31の内部空間の圧力を高めることができる。これにより、本実施形態は、保護窓33への蒸発物質の付着を抑制することができる。
As described above, in this embodiment, the pressure in the internal space of the
また、本実施形態では、レーザ照射ノズル31の内部空間に設けられたコンダクタンス板を冷却することによって、コンダクタンス板に蒸発物質を付着させることができる。これにより、本実施形態は、保護窓33への蒸発物質の付着をより抑制することができる。
In addition, in this embodiment, by cooling the conductance plate provided in the internal space of the
また、本実施形態では、レーザ照射ノズル31の先端に向かうに従って、コンダクタンス板の穴径を小さくすることによって、蒸発物質のレーザ照射ノズル31への侵入を物理的に抑制することができる。これにより、本実施形態は、保護窓33への蒸発物質の付着をより抑制することができる。
In addition, in this embodiment, by decreasing the hole diameter of the conductance plate toward the tip of the
[第2実施形態]
図7を用いて、第2実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図7は、第2実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。第2実施形態に係るレーザヘッド30Aには、レーザ照射ノズル31の内部空間の圧力を排気するノズル排気装置60が設けられている点で第1実施形態と異なっている。
[Second embodiment]
The configuration of the laser head of the laser processing apparatus according to the second embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 7 is a diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a laser head of a laser processing apparatus according to the second embodiment. A
図7に示すように、レーザ照射ノズル31には、ノズル排気配管61を介して、ノズル排気装置60が接続されている。ノズル排気装置60は、ノズル排気配管61を介さずに、レーザ照射ノズル31に直接取り付けられていてもよい。ノズル排気装置60は、レーザ照射ノズル31の内部空間の噴射されたシールドガスをチャンバ11の外部に排気する。ここで、ノズル排気装置60の排気量を、Qn(Pa・m3/S)であるとする。この場合、チャンバ11の内部を所定の圧力Pの状態の保持するために必要であった、シールドガスの供給量Qg(Pa・m3/S)の関係式は以下のように変更される。
Qg≦(PS+Qn)-(QC+QW+P0S)・・・(9)
As shown in FIG. 7 , a
Qg≦(PS+ Qn )−( QC + QW + P0S ) (9)
上述の式(9)に示されるように、第2実施形態では、ノズル排気装置60の排気量だけ、シールドガスの供給量を増加させることができる。
As shown in the above equation (9), in the second embodiment, the supply amount of the shield gas can be increased by the exhaust amount of the
上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル31にノズル排気装置60を設けたことによって、レーザ照射ノズル31の内部空間に噴射するシールドガスの供給量を増加させることができる。これにより、本実施形態は、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができるので、保護窓33への蒸発物質の付着をより防止することができる。
As described above, in the present embodiment, by providing the
[第3実施形態]
図8を用いて、第3実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの構成について詳細に説明する。図8は、第3実施形態に係るレーザ加工装置のレーザヘッドの断面の構成の一例を示す図である。第3実施形態に係るレーザヘッド30Bには、冷却部50が設けられていない点と、コンダクタンス板で圧力を制御しない点とで第2実施形態と異なっている。
[Third embodiment]
The configuration of the laser head of the laser processing apparatus according to the third embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing an example of a cross-sectional configuration of a laser head of a laser processing apparatus according to a third embodiment. The
図8に示すように、レーザ照射ノズル31には、ノズル排気配管61を介して、ノズル排気装置60が接続されている。レーザ照射ノズル31の内部空間には、第1コンダクタンス板41と、第2コンダクタンス板42とが設けられている。
As shown in FIG. 8 , a
第1コンダクタンス板41と、第2コンダクタンス板42とは、レーザ照射ノズル31において、ノズル排気装置60がガスを排気するための空間を区画している。この場合、ノズル排気装置60は、第1コンダクタンス板41と、第2コンダクタンス板42とによって区画された空間におけるシールドガスを外部に排出する。すなわち、ノズル排気装置60の排気量だけ、シールドガスの供給量を増加させることができる。なお、レーザ照射ノズル31の内部空間において、保護窓33よりもレーザ光Lの照射方向の下流側に複数のコンダクタンス板が設けられていてもよい。
The
上述のとおり、本実施形態では、レーザ照射ノズル31にノズル排気装置60を設けたことによって、レーザ照射ノズル31の内部空間に噴射するシールドガスの供給量を増加させることができる。これにより、本実施形態は、レーザ照射ノズル31の内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に近づけることができるので、保護窓33への蒸発物質の付着をより防止することができる。
As described above, in the present embodiment, by providing the
10 レーザ加工装置
11 チャンバ
12 レーザ発振器
13 シールドガス噴射装置
14 排気装置
15 移動機構
16 制御装置
21 光ファイバケーブル
22 シールドガス供給配管
30 レーザヘッド
31 レーザ照射ノズル
32 集光レンズ
33 保護窓
40 コンダクタンス板
41,41A 第1コンダクタンス板
42,42A 第2コンダクタンス板
43,43A 第3コンダクタンス板
44,44A 第4コンダクタンス板
50 冷却部
60 ノズル排気装置
61 ノズル排気配管
L レーザ光
T 加工対象物
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられ、中央部に前記レーザ照射ノズルの内径に基づいて穴径が設計された穴部を有するコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。 a chamber;
a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light;
a laser head provided inside the chamber and having a laser irradiation nozzle, a condenser lens, and a protective window;
a shield gas injection device for injecting a shield gas into the internal space of the laser irradiation nozzle;
a conductance plate provided in the internal space downstream of the protective window in the irradiation direction of the laser beam , and having a hole in the center portion with a hole diameter designed based on the inner diameter of the laser irradiation nozzle ;
an exhaust device that controls the pressure inside the chamber,
The laser processing apparatus, wherein the conductance plate controls the flow of the vaporized substance in the internal space of the laser irradiation nozzle to a medium flow or a viscous flow.
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、
前記コンダクタンス板を冷却する冷却部と、
を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。 a chamber;
a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light;
a laser head provided inside the chamber and having a laser irradiation nozzle, a condenser lens, and a protective window;
a shield gas injection device for injecting a shield gas into the internal space of the laser irradiation nozzle;
a conductance plate provided in the internal space downstream of the protection window in the irradiation direction of the laser light;
an exhaust device for controlling the pressure inside the chamber;
a cooling unit that cools the conductance plate;
with
The laser processing apparatus, wherein the conductance plate controls the flow of the vaporized substance in the internal space of the laser irradiation nozzle to a medium flow or a viscous flow.
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記内部空間において、前記保護窓よりも前記レーザ光の照射方向の下流側に設けられたコンダクタンス板と、
前記チャンバの内部の圧力を制御する排気装置と、
前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気するノズル排気装置と、
を備え、
前記コンダクタンス板は、前記レーザ照射ノズルの前記内部空間における蒸発物質の流れを中間流または粘性流に制御する、レーザ加工装置。 a chamber;
a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light;
a laser head provided inside the chamber and having a laser irradiation nozzle, a condenser lens, and a protective window;
a shield gas injection device for injecting a shield gas into the internal space of the laser irradiation nozzle;
a conductance plate provided in the internal space downstream of the protection window in the irradiation direction of the laser light;
an exhaust device for controlling the pressure inside the chamber;
a nozzle exhaust device provided in the laser irradiation nozzle for exhausting the shielding gas injected into the internal space of the laser irradiation nozzle to the outside;
with
The laser processing apparatus, wherein the conductance plate controls the flow of the vaporized substance in the internal space of the laser irradiation nozzle to a medium flow or a viscous flow.
前記レーザ照射ノズルの内径がD(m)、前記コンダクタンス板のコンダクタンスがCである場合、D>3.3・R・T/√2・NA・π・σ2・{(Qg/C)+P0}を満たす、請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。 The conductance plate has an annular shape with a hole in the center,
When the inner diameter of the laser irradiation nozzle is D (m) and the conductance of the conductance plate is C, D>3.3 R T/√2 N A π σ 2 {(Q g /C )+P 0 }, the laser processing apparatus according to claim 1 .
複数の前記コンダクタンス板の穴は、下流側に向けて徐々に小さくなる、請求項1から7のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。 A plurality of the conductance plates,
The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 7 , wherein the holes of the plurality of conductance plates gradually become smaller toward the downstream side.
前記チャンバの外部に設けられ、レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記チャンバの内部に設けられ、レーザ照射ノズルと、集光レンズと、前記集光レンズを保護する保護窓とを有するレーザヘッドと、
前記レーザ照射ノズルの内部空間にシールドガスを噴射するシールドガス噴射装置と、
前記レーザ照射ノズルに設けられ、前記レーザ照射ノズルの内部空間に噴射された前記シールドガスを外部に排気する排気装置を備える、レーザ加工装置。 a chamber;
a laser oscillator provided outside the chamber for oscillating laser light;
a laser head provided inside the chamber and having a laser irradiation nozzle, a condenser lens, and a protection window for protecting the condenser lens;
a shield gas injection device for injecting a shield gas into the internal space of the laser irradiation nozzle;
A laser processing apparatus comprising an exhaust device provided in the laser irradiation nozzle for exhausting the shield gas injected into an internal space of the laser irradiation nozzle to the outside.
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