JP7170952B1

JP7170952B1 - 付加製造装置および加工ヘッド

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Publication number: JP7170952B1
Application number: JP2022547313A
Authority: JP
Inventors: 祐二野尻; 一哉堀尾; 聡史服部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2022-11-14
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Abstract

ワイヤ状の材料を加工対象（２３）上に送給するワイヤノズル（６）と、加工対象（２３）上に送給される材料にレーザビーム（Ｌ）を照射するとともに、シールドガス（Ｇ）の供給源からのシールドガス（Ｇ）を噴射する加工ヘッド（３）と、を備える付加製造装置であって、加工ヘッド（３）は、レーザビーム（Ｌ）を通過させ、レーザビーム（Ｌ）の進行方向に延在した筒状の管路（３０１）と、供給源からのシールドガス（Ｇ）を管路（３０１）に供給するガス供給口と、を備える。

Description

本開示は、加工対象上に供給した材料にレーザビームを照射して溶融、固化させながら造形物を製造する付加製造装置および加工ヘッドに関する。

付加製造装置は、熱源を用いて加工対象上に供給した金属材料を溶融、固化させた加工物を加工対象上に積層して造形物を加工する装置である。加工の際、加工物は高温で大気に曝されるため、酸化し易く、加工物が酸化した場合には、造形物の品質が悪化したり加工が不安定になったりしてしまうことがある。特に、付加製造装置による加工では加工物を積層するため、加工物は蓄熱し易く、さらに一つの加工に数時間かかることが一般的である。このため、肉盛り溶接等の加工手法に比して付加製造装置による加工では、加工物が酸化し易い傾向にある。

そこで、加工物の酸化を抑制する手法の一つとして、従来では、不活性ガスをシールドガスとして加工点に噴射し、大気、すなわち酸素から加工点をシールドする手法が用いられる。しかし、ガスノズルから噴射したシールドガスが乱流している場合には、逆に大気、すなわち酸素を巻き込んでしまい酸化し易くなってしまう。このため、乱流の発生を抑えることができるガスノズルが望まれている。

特許文献１には、レーザビーム等の光線を通過させる光線経路を構成する光線経路構成部材と、光線経路構成部材の周囲に設けられ、紛体を含むキャリアガスを流すガス流路を有する流路構成部材と、を備える光加工用ノズルが開示されている。特許文献１に記載の光加工用ノズルでは、光線は光線経路構成部材によって構成される光線経路を通り、光加工用ノズルの先端から加工対象へと出射され、紛体を含むキャリアガスは、流路構成部材によって構成されるガス流路を通り、光加工用ノズルの先端から加工対象へと噴射される。

国際公開第２０１６／１３５９０７号

ところで、紛体を含むキャリアガスを光線と同一の経路に流した場合には、光線によって紛体が経路内で溶けてしまうため、特許文献１に記載の技術のように、光線経路とガス流路とが別々の加工ヘッドの構造となる。光線経路とガス経路とを別々にすると、加工ヘッドが複雑化してしまう。また、キャリアガスが光線経路とは別軸で供給されるため、ガスの整流効果が損なわれ、光線の照射位置において乱流が発生してしまうという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、加工対象に供給した材料にレーザビームを照射しながらガスを供給して加工を行う場合に、従来に比して簡易な構造でガスの乱流の発生を抑制することができる付加製造装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示は、ワイヤ状の材料を加工対象上に送給するワイヤノズルと、加工対象上に送給される材料にレーザビームを照射するとともに、シールドガスの供給源からのシールドガスを噴射する加工ヘッドと、を備える付加製造装置であって、加工ヘッドは、ヘッド本体部と、ガス噴射ノズルと、を備える。ヘッド本体部は、レーザビームを通過させ、レーザビームの進行方向に延在した筒状の第１管路と、供給源からのシールドガスを第１管路に供給するガス供給口と、を有する。ガス噴射ノズルは、ヘッド本体部の加工対象側の端部に設けられ、ヘッド本体部側の径よりも加工対象側の径の方が小さい第２管路を有する。ヘッド本体部におけるガス供給口からヘッド本体部とガス噴射ノズルとの接続部までの長さが、レーザビームの進行方向におけるガス噴射ノズルの長さよりも長い。

本開示に係る付加製造装置は、加工対象に供給した材料にレーザビームを照射しながらガスを供給して加工を行う場合に、従来に比して簡易な構造でガスの乱流の発生を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る付加製造装置の構成を示す図実施の形態１に係る加工ヘッドの構成の一例を模式的に示す断面図実施の形態２に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図実施の形態３に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図実施の形態４に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図実施の形態４に係る加工ヘッドのガス供給ノズルの構成の一例を示す斜視図実施の形態５に係る加工ヘッドの構成の一例を模式的に示す断面図

以下に、本開示の実施の形態に係る付加製造装置および加工ヘッドを図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る付加製造装置の構成を示す図である。付加製造装置１００は、溶融させた溶加材を加工対象２３へ付加することによって３次元造形物を製造する工作機械である。付加製造装置１００は、熱源の照射によって溶加材を溶融する。実施の形態１において、熱源はレーザビームＬである。また、実施の形態１において、溶加材はワイヤ状の金属材料である。

付加製造装置１００は、加工対象２３へ送給された溶加材であるワイヤ５の先端部をレーザビームＬによって局所的に溶融させ、ワイヤ５の溶融物を加工対象２３に接触させることによってビード２１を形成する。ビード２１は、レーザビームＬの照射によって溶融させたワイヤ５の凝固物である。付加製造装置１００は、基材２０の上においてビード２１を積み重ねることによって造形物を製造する。図１に示す基材２０は、板材である。基材２０は板材以外の物であってもよい。加工対象２３は、溶融させた溶加材が付加される物体であって、基材２０または基材２０上のビード２１である。溶融ビード２２は、ビード２１のうち溶融している部分である。

Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸とＹ軸とは、水平方向の軸である。Ｚ軸は、鉛直方向の軸である。Ｚ軸方向は、ビード２１が積み重ねられる方向である積層方向である。

付加製造装置１００は、レーザ発振器１と、レーザ出力制御器１１と、加工ヘッド３と、ガス流量調整器１２と、ワイヤスプール４と、ワイヤノズル６と、ステージ８と、駆動制御器１３と、数値制御（Numerical Control：ＮＣ）装置１７と、を備える。

レーザ発振器１は、熱源であるレーザビームＬを出力する。レーザ発振器１により出力されたレーザビームＬは、光伝送路であるファイバケーブル２を通って加工ヘッド３へ伝搬する。レーザ出力制御器１１は、レーザ発振器１を制御することによって、レーザ発振器１のレーザビームＬの出力であるレーザ出力を調整する。

加工ヘッド３は、ファイバケーブル２と図示しないコネクタを介して接続され、レーザビームＬを加工対象２３へ向けて出射する。加工ヘッド３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の各方向へ移動可能である。加工ヘッド３は、レーザビームＬを平行化させるコリメート光学系と、レーザビームＬを集束させる集光レンズと、を有する。コリメート光学系および集光レンズの図示は省略する。加工対象２３へ照射するレーザビームＬの中心線の方向は、Ｚ軸方向である。

加工ヘッド３には、加工対象２３へ向けてシールドガスを噴射するガスノズルが設けられている。シールドガスは、加工点でのレーザビームＬの照射による酸化を抑制するガスである。シールドガスとしては、不活性ガスである窒素ガス、アルゴンガス等が使用される。シールドガスの噴射によって、ビード２１の酸化が抑制されるとともに、形成されたビード２１が冷却される。シールドガスは、シールドガスの供給源であるガスボンベから供給される。ガス流量調整器１２は、シールドガスの流量を調整する。ガスノズルおよびガスボンベの図示は省略する。このように、実施の形態１では、加工ヘッド３は、加工対象２３上に供給されるワイヤ５にレーザビームＬを照射するとともに、シールドガスの供給源からのシールドガスを噴射する。

ワイヤスプール４は、ワイヤ５の供給源である。ワイヤ５は、ワイヤスプール４に巻き付けられている。ワイヤノズル６は、加工ヘッド３に支持部材７によって固定されている。このため、ワイヤノズル６は、加工ヘッド３の移動とともに移動する。ワイヤノズル６は、加工対象２３へワイヤ５を送給する。ワイヤノズル６は、ワイヤスプール４から加工対象２３へ向けてワイヤ５を送り出す。また、ワイヤノズル６は、送り出されたワイヤ５をワイヤスプール４の方へ引き戻す。ワイヤ５が送給される方向は、加工ヘッド３からレーザビームＬが出射される方向に対して斜めの方向である。

ステージ８は、基材２０を固定し、支持する。ステージ８は、一例ではＺ軸周りおよびＹ軸周りに回転可能である。ステージ８がＹ軸周りに回転することによって、ステージ８の傾きを変化させることができる。つまり、ステージ８の動作によって、上面に固定された基材２０の姿勢を変化させることができる。付加製造装置１００は、基材２０の姿勢を変化させるとともに加工ヘッド３を移動させることによって、加工対象２３におけるレーザビームＬの照射位置を移動させる。

駆動制御器１３は、加工ヘッド３を駆動するヘッド駆動部１４と、ワイヤノズル６を駆動するワイヤ送給駆動部１５と、ステージ８を駆動するステージ駆動部１６とを有する。

ＮＣ装置１７は、加工プログラムに従って付加製造装置１００の全体を制御する。ＮＣ装置１７は、レーザ出力制御器１１へレーザ出力指令を出力することによって、レーザ発振器１を制御する。ＮＣ装置１７は、ヘッド駆動部１４へ軸指令を出力することによって、加工ヘッド３を制御する。ＮＣ装置１７は、ワイヤ送給駆動部１５へ送給指令を送ることによって、ワイヤノズル６を制御する。ＮＣ装置１７は、ステージ駆動部１６へ回転指令を出力することによって、ステージ８を制御する。ＮＣ装置１７は、ガス流量調整器１２へガス供給指令を出力することによって、シールドガスの流量を制御する。

つぎに、実施の形態１に係る付加製造装置１００で使用される加工ヘッド３について説明する。図２は、実施の形態１に係る加工ヘッドの構成の一例を模式的に示す断面図である。加工ヘッド３は、ヘッド本体部３１と、ガス噴射ノズル３２と、保護板３３と、を備える。

ヘッド本体部３１は、レーザビームＬの進行方向であるＺ軸方向に延在した管路３１１を有する筒状の部材である。ヘッド本体部３１は、一例ではアルミニウムによって構成される。管路３１１には、レーザビームＬが通されるとともに、シールドガスＧが流される。すなわち、レーザビームＬとシールドガスＧとが同一の管路３１１を通過することになる。ヘッド本体部３１の外径および管路３１１の径は、Ｚ軸方向に沿って径が同一である。ヘッド本体部３１の外形および管路３１１の形状は、円筒状であってもよいし、多角形の角筒状であってもよい。

ヘッド本体部３１は、上部に、シールドガスＧを管路３１１に供給するガス供給口である貫通孔３１２を有する。貫通孔３１２には、図示しないガスボンベに接続されるホース等の配管３５が図示しない接続部材によって固定される。これによって、貫通孔３１２から配管３５を介して流れてきたシールドガスＧがヘッド本体部３１の管路３１１内に供給される。貫通孔３１２は、ヘッド本体部３１の上部、すなわちレーザビームＬの入射位置の近傍に設けられることが望ましい。貫通孔３１２は、加工ヘッド３の上面から、加工ヘッド３のＺ軸方向の長さの１／３の範囲にあることが望ましい。加工ヘッド３の上面から加工ヘッド３の長さの１／３の範囲外に貫通孔３１２がある場合には、シールドガスＧが管路３１１内を流下する距離が短くなり、ガス噴射ノズル３２に到達するまでに整流され難くなるためである。貫通孔３１２は、一例では機械加工によってヘッド本体部３１の側面に形成される。また、ここでは、貫通孔３１２は、レーザビームＬの進行方向に平行なヘッド本体部３１の側面に垂直な方向に形成される。つまり、貫通孔３１２の延在方向が、ヘッド本体部３１の側面に垂直な方向と平行となるように、貫通孔３１２が設けられる。

ガス噴射ノズル３２は、ヘッド本体部３１のステージ８側の端部に設けられ、加工点２３１にレーザビームＬを出射し、シールドガスＧを噴射する部材である。加工点２３１は、加工対象２３上のレーザビームＬの照射位置であり、ビード２１が付加される領域である。ワイヤノズル６からのワイヤ５も加工点２３１に送給される。ガス噴射ノズル３２は、Ｚ軸方向に延在した管路３２１を有する中空の部材である。管路３２１のステージ８側の径は、ヘッド本体部３１側の径に比して小さくされる。管路３２１の径は、ステージ８側に向かって連続的に小さくなってもよいし、段差状に小さくなってもよい。一例では、ガス噴射ノズル３２は、中空の錐台形状の部材によって構成される。ガス噴射ノズル３２は、一例ではアルミニウムによって構成される。また、ガス噴射ノズル３２は、ヘッド本体部３１と一体的に形成されたものであってもよいし、溶接等でヘッド本体部３１と接続されたものであってもよい。

なお、加工ヘッド３の管路３０１は、ヘッド本体部３１の管路３１１と、ガス噴射ノズル３２の管路３２１と、を有する。

保護板３３は、ヘッド本体部３１のガス噴射ノズル３２とは反対側の端部の開口を塞ぐように設けられる。保護板３３は、レーザビームＬの波長に対して透明な部材によって構成される。保護板３３は、一例ではガラスによって構成される。保護板３３は、上面に、ファイバケーブル２を固定するコネクタ３３１を有する。保護板３３は、付加製造装置１００でワイヤ５にレーザビームＬを照射する際に生じるスパッタまたはヒュームからコネクタ３３１を保護する部材である。

このように加工ヘッド３は、Ｚ軸方向に延在する管路３０１を有し、レーザビームＬの入射側の端部が閉塞された構造を有する。レーザビームＬの入射面は、保護板３３に対応する。

図２において、レーザビームＬの光路は実線で描かれ、シールドガスＧの流れは鎖線で描かれている。レーザビームＬは、ファイバケーブル２からコネクタ３３１を介して、加工ヘッド３の管路３０１に導かれる。そして、レーザビームＬは、管路３０１の内部をＺ軸方向に沿って、ガス噴射ノズル３２の先端部から出射される。また、配管３５を介してシールドガスＧが貫通孔３１２から加工ヘッド３の管路３０１へと供給される。シールドガスＧは、貫通孔３１２からガス噴射ノズル３２に向かって流下する。つまり、シールドガスＧは、レーザビームＬが通る管路３０１と同一の管路３０１をＺ軸方向下方に流れる。そして、ガス噴射ノズル３２から加工点２３１に向かってシールドガスＧが噴射される。貫通孔３１２から供給されるシールドガスＧは、管路３０１を流下するに従って整流され、ガス噴射ノズル３２から噴射されるが、加工点２３１には層流の状態で到達する。

管路３０１内におけるシールドガスＧの供給位置がレーザビームＬの入射位置の近傍に配置され、かつシールドガスＧの噴射位置とレーザビームＬの出射位置とが同一であるため、シールドガスＧの管路３０１内でのマクロ的な流れの向きとレーザビームＬの光路とは平行となっている。そして、筒状の管路３０１の内部をシールドガスＧが流下することによって、管路３０１内でシールドガスＧが整流されるものと考えられる。

この結果、レーザビームＬが加工点２３１に照射されている間に、レーザビームＬを含む領域にはシールドガスＧが層流の状態で噴射されることになり、周囲の大気、すなわち酸素を巻き込んでしまう乱流の発生が抑制される。

層流となるか、乱流となるかは、レイノルズ数によって判断可能であることが知られている。レイノルズ数Ｒは、代表速度をＵ₀とし、噴出口の口径をｄとし、気流の動粘性係数をｖとしたときに、次式（１）によって算出される。なお、代表速度は、円管の中を流れる流体の場合には、平均速度とすることができる。

Ｒ＝Ｕ₀ｄ／ｖ・・・（１）

実験およびシミュレーションによって、貫通孔３１２の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、ガス噴射ノズル３２から噴射されるシールドガスＧが層流となることが明らかとなっている。つまり、貫通孔３１２の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒが１０１００を超える場合には、ガス噴射ノズル３２から噴射されるシールドガスＧは乱流になってしまう場合がある。上記したように、乱流では加工点２３１において酸素を巻き込み易いが、層流の場合には酸素を巻き込みにくくなり加工品質が向上する。このため、貫通孔３１２の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒが１０１００以下であれば、ガス噴射ノズル３２までの管路３０１内でシールドガスＧを整流することが可能となる。（１）式に示したように、レイノルズ数Ｒは、シールドガスＧの代表速度Ｕ₀または貫通孔３１２の口径ｄを制御することによって制御することができる。

実施の形態１の加工ヘッド３は、レーザビームＬを通過させ、レーザビームＬの進行方向に延在した管路３０１を有する筒状の部材によって構成され、シールドガスＧの供給源からの配管３５と接続され、管路３０１にシールドガスＧを供給する貫通孔３１２を有する。つまり、シールドガスＧはレーザビームＬと同じ管路３０１を流れることになる。この結果、従来の技術のように、レーザビームＬが通る管路とは別にシールドガスＧを流すための流路を構成するための部材を設ける必要ないため、安価で簡素な構造を実現することができる。また、シールドガスＧがレーザビームＬと同一の管路３０１を流下することで、管路３０１内でシールドガスＧが整流され、シールドガスＧを層流の状態で加工点２３１に噴射することができる。層流にすることで、加工点２３１で酸素を巻き込みにくくなり、加工品質が向上し安定した加工が可能となる。つまり、加工対象２３に供給したワイヤ５にレーザビームＬを照射しながらシールドガスＧを供給して加工を行う場合に、従来に比して簡易な構造でシールドガスＧの乱流の発生を抑制することができるという効果を奏する。

特に、貫通孔３１２におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、管路３０１内を流下するシールドガスＧを整流することができ、加工点２３１に噴射されるシールドガスＧを層流とすることができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、以下では、実施の形態１と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

実施の形態２に係る加工ヘッド３は、貫通孔３１２に接続されるガス供給ノズル３４をさらに備える。ガス供給ノズル３４は、配管３５と接続され、ヘッド本体部３１の側面の外側に配置される配管接続部３４１と、貫通孔３１２に挿入される挿入部３４２と、を有する。配管接続部３４１は、板状の部材であり、ヘッド本体部３１と図示しない固定部材によって固定される。固定部材は、一例では、ボルトであり、配管接続部３４１およびヘッド本体部３１に設けられるねじ穴に螺合される。挿入部３４２は、配管接続部３４１の一方の面に接続される。そして、配管接続部３４１と挿入部３４２とを貫通するように、内部流路３４３が設けられている。内部流路３４３の流入口３４３ａは、配管接続部３４１に設けられ、流出口３４３ｂは、挿入部３４２に設けられる。流出口３４３ｂの径は、流入口３４３ａの径よりも小さくされる。ここでは、内部流路３４３が配管接続部３４１と挿入部３４２との境界付近で径が段差的に小さくなる例が示されているが、連続的に径が小さくなるようにしてもよい。ガス供給ノズル３４の流出口３４３ｂは、ガス供給口に対応する。また、ガス供給ノズル３４の流入口３４３ａの位置と流出口３４３ｂの位置とは、レーザビームＬの進行方向において等しい。より具体的には、ガス供給ノズル３４の流入口３４３ａの中心の位置と流出口３４３ｂの中心の位置とは、レーザビームＬの進行方向において等しい。

ガス供給ノズル３４では、流出口３４３ｂの径が流入口３４３ａよりも小さくなっているので、配管３５を流れるシールドガスＧの流速に比して、ガス供給ノズル３４から噴射されるシールドガスＧの流速の方が大きくなる。これにより、配管３５を流れるシールドガスＧの流速を同じとした場合で、ガス供給ノズル３４を設けない場合では、貫通孔３１２から貫通孔３１２に対向する管路３０１の壁面に衝突するシールドガスＧの割合は少ないが、ガス供給ノズル３４を設ける場合には、流出口３４３ｂに対向する管路３０１の壁面にシールドガスＧは衝突するようになる。管路３０１内の壁面にシールドガスＧを衝突させることで、シールドガスＧが拡散され一時的に動圧が落ち流速が下がる。そして、管路３０１内での速度分布が一様になる。つまり、管路３０１内での速度分布に偏りがなくなるため、整流効果が高まる。この結果、ガス噴射ノズル３２から噴射されるシールドガスＧは、層流の状態で加工点２３１に到達する。

一般的に、噴流を乱流ではなく層流にするには、シールドガスＧの流量を低減するか、加工ヘッド３の開口径を広くとるか、あるいは加工ヘッド３内でシールドガスＧを整流するか、のいずれかの手段が用いられる。しかしながら、シールド性能を確保するためには一定の流量を確保しなければならない。また、加工ヘッド３の開口径を大きくすると、造形処理中に造形物との衝突等の懸念が高まるため、安易に大きくすることはできない。さらに、加工ヘッド３内で整流する場合には、拡散板またはフィルタが広く用いられているが、実施の形態２に係る加工ヘッド３では、管路３０１内にシールドガスＧとともにレーザビームＬも通される。このため、拡散板またはフィルタによってレーザビームＬの光路が遮られてしまうため、使用することができない。

実施の形態２では、流出口３４３ｂの径が流入口３４３ａの径よりも小さいガス供給ノズル３４を貫通孔３１２に設けた。これによって、ガス供給ノズル３４からのシールドガスＧの噴流が管路３０１のガス供給ノズル３４に対向する内壁に衝突し、管路３０１内でのシールドガスＧの速度分布が一様となり、実施の形態１の場合に比して、整流効果をさらに高めることができる。この結果、層流の状態でシールドガスＧを加工点２３１に導くことが可能となる。

図３では、貫通孔３１２にガス供給ノズル３４を設ける場合を説明したが、実施の形態１の図２の加工ヘッド３の構成で、あるいは、図３で流出口３４３ｂの径が流入口３４３ａの径と同じガス供給ノズル３４を用いた構成で、シールドガスＧの流速を増加させても同様の効果を得ることができる。また、ガス供給ノズル３４を設けない、実施の形態１の図２の加工ヘッド３の構成で、あるいは、図３で流出口３４３ｂの径が流入口３４３ａの径と同じガス供給ノズル３４を用いた構成で、ある流速でシールドガスＧを流している場合に、シールドガスＧが貫通孔３１２に対向する管路３０１の壁面に衝突しない状態にあるものとする。この場合には、管路３０１の径が小さい加工ヘッド３に交換することで、同じ流速であっても、貫通孔３１２から噴射されるシールドガスＧを、貫通孔３１２に対向する管路３０１の壁面に衝突させることができる。このように、加工ヘッド３の管路３０１の径を小さくすることによっても、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２でも、ガス供給ノズル３４の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、加工点２３１におけるシールドガスＧは層流となる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、以下では、実施の形態１，２と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

実施の形態３に係る加工ヘッド３は、ヘッド本体部３１の側面に設けられる貫通孔３１２が、斜め上方に向かう流路によって構成される。すなわち、貫通孔３１２のヘッド本体部３１の外側における位置に比して、管路３１１側における位置の方が上方に位置している。具体的には、貫通孔３１２のヘッド本体部３１の外側における中心の位置に比して、管路３１１側における中心の位置の方が上方に位置している。図４の例では、ガス供給ノズル３４を設ける場合を示している。貫通孔３１２は、ガス供給ノズル３４の挿入部３４２を挿入可能な大きさの開口部と、開口部の径よりも小さい径を有し、開口部の端部から斜め上方に向かって延在する開口部と、を有する。

このような貫通孔３１２の構造によって、ガス供給ノズル３４から噴射されるシールドガスＧは、加工ヘッド３のレーザビームＬの入射面である上面、すなわちヘッド本体部３１の上部に配置される保護板３３に衝突する。実施の形態３でも、シールドガスＧを保護板３３に衝突させているので、実施の形態２と同様に、管路３０１内でのシールドガスＧの速度分布を一様にすることができる。また、実験およびシミュレーションによって、シールドガスＧを貫通孔３１２に対向する管路３０１の壁面に衝突させる場合に比して、加工ヘッド３の上面に衝突させる方が、管路３０１内の断面に対してシールドガスＧの偏りが小さくなり、管路３０１内での整流の効果が高い結果が得られることが明らかとなっている。

実施の形態３によれば、シールドガスＧを加工ヘッド３の上面に衝突させることで、ガス噴射ノズル３２の端面に相当する噴口面に対してシールドガスＧを均一に送ることができる。これによって、加工ヘッド３の管路３０１内のシールドガスＧの整流効果を実施の形態２の場合に比して高めることができる。そして、実施の形態２の場合に比して、整流効果を高めた層流の状態でシールドガスＧを加工点２３１に供給することができる。また、実施の形態３でも、ガス供給ノズル３４の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、加工点２３１におけるシールドガスＧは層流となる。

なお、図４では、内部流路３４３がヘッド本体部３１の側面に対して垂直となるようにガス供給ノズル３４を設ける場合を示したが、内部流路３４３が加工ヘッド３の上面に向かうように、加工ヘッド３の側面に対してガス供給ノズル３４を斜めに取り付けるようにしてもよい。また、ガス供給ノズル３４を設けず、貫通孔３１２に配管３５を接続する構造のものであってもよい。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係る加工ヘッドのガス供給ノズル付近の構成の一例を模式的に示す断面図であり、図６は、実施の形態４に係る加工ヘッドのガス供給ノズルの構成の一例を示す斜視図である。なお、以下では、実施の形態１から３と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

実施の形態４では、加工ヘッド３のヘッド本体部３１の貫通孔３１２は、実施の形態１，２と同様である。すなわち、貫通孔３１２は、ヘッド本体部３１の側面に垂直な流路によって構成される。すなわち、貫通孔３１２のヘッド本体部３１の外面における位置と、内面における位置と、が一致している。

一方、実施の形態４では、ガス供給ノズル３４の内部流路３４３の少なくとも一部が斜め上方に向かうように構成されている。内部流路３４３は、配管接続部３４１においては、ヘッド本体部３１の側面に垂直な方向に延在するが、挿入部３４２においては、内部流路３４３の流出口３４３ｂが流入口３４３ａよりも上方に位置するように、斜め上方に向かって延在している。すなわち、内部流路３４３は、ヘッド本体部３１の側面に垂直な方向に延在する第１流路構成部３４３１と、第１流路構成部３４３１と接続され、斜め上方に向かって延在する第２流路構成部３４３２と、を有する。

このような構成のガス供給ノズル３４がヘッド本体部３１の貫通孔３１２に接続され、配管３５と接続されることによって、実施の形態２，３と同様に、シールドガスＧが加工ヘッド３の上面に衝突し、管路３０１内でのシールドガスＧの速度分布を一様にすることができる。

上記したように、管路３０１にはシールドガスＧとともにレーザビームＬも通るため、管路３０１内にシールドガスＧを誘導する板などを設けることはできない。そこで、ガス供給ノズル３４で斜め上方に向かう内部流路３４３をつくり、加工ヘッド３の管路３０１内に噴射させることで、管路３０１内に追加部品を必要とせず容易にかつ安価に加工ヘッド３の上面に当てることが可能となる。この結果、実施の形態４でも、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態４でも、ガス供給ノズル３４の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、加工点２３１におけるシールドガスＧは層流となる。

実施の形態５．
図７は、実施の形態５に係る加工ヘッドの構成の一例を模式的に示す断面図である。なお、以下では、実施の形態１から４と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略し、異なる部分について説明する。

実施の形態５に係る加工ヘッド３は、ヘッド本体部３１の構造が実施の形態１のものとは異なる。すなわち、ヘッド本体部３１は、ガス供給ノズル３４からガス噴射ノズル３２までの経路の中で、流路すなわち管路３１１の断面積を段差状に小さくする縮小部３１３を有する。

図７に示される例では、ヘッド本体部３１は、貫通孔３１２を有する第１本体構成部３１ａと、第１本体構成部３１ａよりも管路３１１の断面積が小さい第２本体構成部３１ｂと、第１本体構成部３１ａと第２本体構成部３１ｂとの境界に設けられ、管路３１１の断面積を段差状に変化させる縮小部３１３と、を有する。第２本体構成部３１ｂの端部にガス噴射ノズル３２が設けられる。縮小部３１３は、ヘッド本体部３１の延在方向に垂直な面を有し、第１本体構成部３１ａと第２本体構成部３１ｂとの間を接続する管路構成部材である。

加工ヘッド３の管路３０１内におけるシールドガスＧには、管路３０１内の壁面に沿って下流へ流れる成分が存在する。シールドガスＧが管路３０１内の壁面に沿ってガス噴射ノズル３２に達した場合には、ガス噴射ノズル３２の噴口面に対して偏りが発生し乱流の原因となる。また、シミュレーションによって、管路３０１内の壁面に沿って流れるシールドガスＧの成分は流速が速く乱流を起こし易いことが明らかになっている。このため、管路３０１内の壁面に沿って流れる成分をなるべく除去することが望まれる。そこで、図７に示されるように、ヘッド本体部３１に縮小部３１３を設けることによって、縮小部３１３が、管路３０１内の壁面に沿って流れるシールドガスＧの成分の障壁となり、管路３０１内の壁面に沿って流れるシールドガスＧの成分を除外する。つまり、管路３０１内の壁面に沿って流れるシールドガスＧの成分がそのままガス噴射ノズル３２へと到達してしまうことを抑制する。これによって、ガス噴射ノズル３２の噴口面に対して、より均一にシールドガスＧが供給され、整流効果を高めることができる。

図７では、ヘッド本体部３１が１つの縮小部３１３を有する場合を示したが、２つ以上の縮小部３１３を有していてもよい。この場合には、ガス供給ノズル３４からガス噴射ノズル３２に向かって、管路３１１の断面積が段差状に小さくなるように、複数の縮小部３１３が設けられる。

また、図７では、ガス供給ノズル３４からガス噴射ノズル３２に向かって、管路３１１の断面積とともに、ヘッド本体部３１の外径も縮小部３１３で小さくなる場合を示したが、管路３１１の断面積が小さくなるものであればよい。このため、ガス供給ノズル３４からガス噴射ノズル３２との接続部までは、ヘッド本体部３１の外径は一定であり、管路３１１の断面積が小さくなるようにしてもよい。

さらに、図７では、実施の形態２の加工ヘッド３に縮小部３１３を設ける場合を示したが、実施の形態１，３，４の加工ヘッド３に縮小部３１３を設けてもよい。

実施の形態５では、加工ヘッド３は、管路３０１の断面積をガス供給ノズル３４からガス噴射ノズル３２に向かって段差状に小さくする縮小部３１３を有する。これによって、管路３０１内の壁面に沿って流れる乱流を起こし易いシールドガスＧの成分を除去することができるので、実施の形態１から４の場合に比して、さらに整流効果を高めることができる。これによって、ガス噴射ノズル３２の粉後面に対して、より均一にシールドガスＧを供給することができる。この結果、加工点２３１に層流の状態でシールドガスＧを供給することができる。また、実施の形態５でも、ガス供給ノズル３４の噴口領域におけるレイノルズ数Ｒを１０１００以下とすることで、加工点２３１におけるシールドガスＧは層流となる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１レーザ発振器、２ファイバケーブル、３加工ヘッド、４ワイヤスプール、５ワイヤ、６ワイヤノズル、７支持部材、８ステージ、１１レーザ出力制御器、１２ガス流量調整器、１３駆動制御器、１４ヘッド駆動部、１５ワイヤ送給駆動部、１６ステージ駆動部、１７ＮＣ装置、２０基材、２１ビード、２２溶融ビード、２３加工対象、３１ヘッド本体部、３１ａ第１本体構成部、３１ｂ第２本体構成部、３２ガス噴射ノズル、３３保護板、３４ガス供給ノズル、３５配管、１００付加製造装置、２３１加工点、３０１，３１１，３２１管路、３１２貫通孔、３１３縮小部、３３１コネクタ、３４１配管接続部、３４２挿入部、３４３内部流路、３４３ａ流入口、３４３ｂ流出口、３４３１第１流路構成部、３４３２第２流路構成部、Ｇシールドガス、Ｌレーザビーム。

Claims

ワイヤ状の材料を加工対象上に送給するワイヤノズルと、
前記加工対象上に送給される前記材料にレーザビームを照射するとともに、シールドガスの供給源からの前記シールドガスを噴射する加工ヘッドと、
を備える付加製造装置であって、
前記加工ヘッドは、
前記レーザビームを通過させ、前記レーザビームの進行方向に延在した筒状の第１管路と、前記供給源からの前記シールドガスを前記第１管路に供給するガス供給口と、を有するヘッド本体部と、
前記ヘッド本体部の前記加工対象側の端部に設けられ、前記ヘッド本体部側の径よりも前記加工対象側の径の方が小さい第２管路を有するガス噴射ノズルと、
を備え、
前記ヘッド本体部における前記ガス供給口から前記ヘッド本体部と前記ガス噴射ノズルとの接続部までの長さが、前記レーザビームの進行方向における前記ガス噴射ノズルの長さよりも長いことを特徴とする付加製造装置。
前記ガス供給口は、前記レーザビームの進行方向に平行な前記加工ヘッドの側面を貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記貫通孔は、前記側面に垂直な方向に前記側面を貫通することを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
前記貫通孔の前記第１管路側の位置が、前記加工ヘッドの外側の位置に比して前記加工ヘッドにおける前記レーザビームの入射面側に存在することを特徴とする請求項２に記載の付加製造装置。
前記加工ヘッドは、内部流路を有するガス供給ノズルをさらに有し、
前記ガス供給ノズルは、前記貫通孔に接続されることを特徴とする請求項４に記載の付加製造装置。
前記加工ヘッドは、内部流路を有するガス供給ノズルをさらに有し、
前記ガス供給ノズルは、前記加工ヘッドの前記レーザビームの進行方向に平行な側面に設けられる貫通孔に設けられ、
前記ガス供給口は、前記ガス供給ノズルの流出口であることを特徴とする請求項１に記載の付加製造装置。
前記ガス供給ノズルの流入口の位置と前記流出口の位置とは、前記レーザビームの進行方向において等しいことを特徴とする請求項６に記載の付加製造装置。
前記ガス供給ノズルの前記流出口の位置は、前記レーザビームの進行方向において、前記ガス供給ノズルの流入口の位置に比して、前記加工ヘッドにおける前記レーザビームの入射面側に存在することを特徴とする請求項６に記載の付加製造装置。
前記加工ヘッドは、前記レーザビームの進行方向に向かって前記第１管路の断面積を段差状に小さくする縮小部を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の付加製造装置。
前記ガス供給口の噴口領域でのレイノルズ数が１０１００以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の付加製造装置。
ワイヤノズルから加工対象上に送給されるワイヤ状の材料にレーザビームを照射するとともに、シールドガスの供給源からのシールドガスを噴射する加工ヘッドであって、
前記レーザビームを通過させ、前記レーザビームの進行方向に延在した筒状の第１管路と、前記供給源からの前記シールドガスを前記第１管路に供給するガス供給口と、を有するヘッド本体部と、
前記ヘッド本体部の前記加工対象側の端部に設けられ、前記ヘッド本体部側の径よりも前記加工対象側の径の方が小さい第２管路を有するガス噴射ノズルと、
を備え、
前記ヘッド本体部における前記ガス供給口から前記ヘッド本体部と前記ガス噴射ノズルとの接続部までの長さが、前記レーザビームの進行方向における前記ガス噴射ノズルの長さよりも長いことを特徴とする加工ヘッド。