JPH0542384A

JPH0542384A - レーザ装置

Info

Publication number: JPH0542384A
Application number: JP3198063A
Authority: JP
Inventors: Shigehiro Yoshiyasu; 重宏吉安; Tatsuya Hirosaki; 達也廣崎; Masaru Kaneoka; 優金岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-08-07
Filing date: 1991-08-07
Publication date: 1993-02-23

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザビーム６０２の被加工物６０４上の照
射スポット径９０３を加工レンズ７０２を固定したまま
変化させる。【構成】レーザビーム６０２が通過する筒体である加
工ヘッド本体６０６において、レーザビーム６０２の中
心に垂直な平面上の位置に気体を吹出す気体吹出口を複
数設ける。そして、これらの気体吹出口の気体を吹出す
方向をレーザビーム６０２の中心に向う方向から所定の
同一角度だけずらした方向に設定し、気体吹出口より吹
出される気体の圧力をポンプ６０８により変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はレーザビームの焦点位
置をレーザビームの軸方向に変化させることの出来るレ
ーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来のレーザ装置の１例として
レーザ加工装置の概略を示す構成図である。図におい
て、６０１はレーザ発振器、６０２はレーザ発振器６０
１より出力されるレーザビーム、６０３はレーザビーム
６０２を反射し、レーザビーム６０２の進行方向を変え
る反射鏡である。

【０００３】また、６０４は被加工物、６０５はレーザ
ビーム６０２を被加工物６０４に向けて放出する加工ヘ
ッド、６０６は上部が円筒状をなし、下部がノズル状と
なっている加工ヘッド本体、６０６ａは加工ヘッド本体
６０６の下部である先端部である。また、６０７は加工
ヘッド本体６０６に嵌入装着されたほゞ円筒状の加工レ
ンズホルダ、６０８は加圧された加工ガスを供給するポ
ンプ、６０９はポンプ６０８より供給される加圧された
加工ガスを加工ヘッド６０５に導くパイプ、６１０は加
工ガスの進行方向を示す矢印である。

【０００４】また、６１１はレーザ装置本体（図示せ
ず）に支持され、加工ヘッド６０５を被加工物６０４に
離接可能に支持するアームである。

【０００５】図８は、加工ヘッド６０５の詳細を示す部
分断面図であり、図において７０１は加工レンズホルダ
６０７に支持された加工レンズ、７０２はＯリング、７
０３は加工レンズホルダ６０７の内壁に嵌入する円筒状
のレンズ押えである。なお、レンズ７０１は、円筒状の
加工レンズホルダ６０７の中央部において、円筒内壁に
沿って設けられた凸部６０７ａに一方の面の周辺部が当
接し、他方の面の周辺部はＯリング７０２を介してレン
ズ押え７０３により凸部６０７ａに向けて加圧固定され
ている。

【０００６】７０４は加工レンズホルダ６０７の外周に
設けられた溝６０７ｂと加工ヘッド本体６０６の内周と
により形成されたリング状の空隙である。そして、ポン
プ６０８により加圧された加工ガスはパイプ６０９によ
りこの空隙７０４に導かれる。

【０００７】また、７０５は空隙７０４の加工ガスをレ
ーザビーム６０２の中心に向けて吹き出すように加工レ
ンズホルダ６０７に設けられた気体吹出口である。

【０００８】なお、この気体吹出口７０５は加工レンズ
ホルダ６０７に４個設けられ、いずれもレーザビーム６
０２の中心に垂直な面上に等間隔に配設されている。

【０００９】また、７０６は被加工物６０４の表面にお
けるレーザビーム６０２の照射スポット径であり、７０
７はレーザビーム６０２により被加工物６０４に明けら
れた孔の径、または加工軌跡に沿って溶融除去された加
工幅を示している。なお、７０８は加工レンズホルダ６
０７と加工ヘッド本体６０６との間から加工ガスが漏れ
ないように設けられたＯリングである。

【００１０】図９は、加工レンズホルダ６０７の（８）
−（８）部分断面図である。図において、８０１はレー
ザビーム６０２の中心を示している。

【００１１】次に従来装置の動作について図７〜図９に
より説明する。レーザ発振器６０１より発生したレーザ
ビーム６０２は反射鏡６０３により進行方向を変え加工
ヘッド６０５に送られる。

【００１２】加工ヘッド６０５に送られたレーザビーム
６０２は加工レンズホルダ６０７に固定された加工レン
ズ７０１により被加工物６０４の表面または表面付近に
焦点を結ぶように集光される。そして、この集光された
レーザビーム６０２は加工ヘッド本体６０６の先端部６
０６ａより被加工物６０４に向けて放出される。

【００１３】また、ポンプ６０８により加圧された加工
ガスはパイプ６０９を通り空隙７０４に導かれる。この
空隙７０４に導かれた加工ガスは４個の気体吹出口７０
５よりレーザビーム６０２の中心に向けて吹出した後、
加工ヘッド本体６０６の先端部６０６ａより被加工物６
０４に向けて放出される。

【００１４】この被加工物６０４に向けて放出される加
工ガスにより、レーザビーム６０２の照射により生じた
溶融物を除去する。

【００１５】なお、気体吹出口７０５より加工ガスをレ
ーザビーム６０２の中心に向けて吹出す理由は、加工ヘ
ッド本体６０６内のレーザビーム６０２が通過する位置
における加工ガスの密度を均一化し、レーザビーム６０
２のプロファイル（断面形状）の変化を防止するためで
ある。

【００１６】次に、レーザビーム６０２により被加工物
６０４を切断する切断加工の工程について図１０により
説明する。まず始めに被加工物６０４を貫通するイニシ
ャルホール９０１が明けられる。なお、このイニシャル
ホールを明ける作業は一般にピアシングと呼ばれてい
る。

【００１７】ピアシングにおいては、被加工物６０４の
表面における照射スポット径９０３を０．１３ｍｍ程度
にし、穴径９０２が０．３ｍｍ程度の穴９０１が明けら
れる。すなわち、図１０（ａ）に示されるように焦点位
置、例えばレーザビーム６０２のプロファイルが最も小
さくなる位置であるビームウェスト位置が、被加工物６
０４の表面の位置になるようにしてピアシングを行う。

【００１８】その後、被加工物６０４および加工ヘッド
６０５を相対移動して切断加工を開始する。

【００１９】一般に、板厚が６ｍｍ以上ある軟鋼材を切
断するためには、溶融物が容易に排除される切断幅が得
られるように被加工物６０４の表面における照射スポッ
ト径９０３を０．２ｍｍ程度にし、切断幅９０４を０．
５ｍｍ程度にする必要がある。このように照射スポット
径９０３を大きくするため、ピアシング後図１０（ｂ）
に示すように加工レンズ７０１を上方に移動し、ビーム
ウェスト位置９０５を被加工物６０４よりも上方に設定
し直すようにしている。

【００２０】なお、このように加工レンズ７０１を移動
させると、加工ガスを吹出す加工ヘッド本体６０６の先
端部６０６ａも同時に移動するのでピアシング時と切断
加工時において、先端部６０６ａと被加工物６０４との
間隔が変化し、特に切断加工時において上述の間隔が広
がり、溶融した金属の被加工物６０４の裏側への排除が
困難になるという問題が生じる。

【００２１】この問題を解消する目的のため、加工レン
ズ７０１と加工ガスの吹出口である先端部６０６ａとの
間を蛇腹等でつなぎ、加工レンズ７０１と先端部６０６
ａとを相対移動可能に構成する方法も提案されている。

【００２２】なお、上述の板厚が６ｍｍ以上ある軟鋼板
材の切断においては、加工ガスは通常、酸化反応による
発熱を利用する目的で酸素ガスが用いられる。この酸素
ガスの圧力はピアシング時で０．３Ｋｇ／ｃｍ² 程度で
あることが必要であり、切断時では０．６〜１．０Ｋｇ
／ｃｍ² 程度であることが必要である。

【００２３】また、ピアシング時においては溶融した金
属を被加工物６０４の表面側に除去するので、はね返り
を発生することがあるため、危険を防止する目的と、レ
ンズ等の損傷を防止する目的とにより、加工ガスの圧力
を比較的小さな値に設定している。

【００２４】一方、切断時においては、溶融した金属を
被加工物６０４の裏面側に十分排除できるように圧力を
比較的大きな値を設定している。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
レーザ装置では、被加工物６０４の表面におけるレーザ
ビーム６０２の照射スポット径９０３を変えるなどの目
的でレーザビーム６０２の焦点位置をレーザビームの軸
方向に変化させるにあたり、加工レンズ７０１の位置を
移動する必要があり、その結果、加工ヘッド本体６０６
の先端部６０６ａとは別に加工レンズ７０１を移動させ
るための機構を設けるなど、加工ヘッドの構造が複雑に
なり、信頼性を損うなどの問題点があった。

【００２６】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたものであり、加工レンズの位置は固定したまゝ
照射スポット径を変化させることが可能な信頼性の高い
レーザ装置を得ることを目的とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】この発明によるレーザ装
置では、レーザビームが通過する筒体と、レーザビーム
を中心とする円周方向に互に所定距離離隔して上記筒体
に複数配設され、いずれもレーザビームの中心に向う方
向から所定の同一角度だけずらした方向に気体を吹出す
気体吹出口と、気体吹出口により吹出される気体の吹出
し圧を変化させる気体圧力制御手段と、を備えたことを
特徴とするものである。

【００２８】また、この発明によるレーザ装置は、気体
吹出口より吹出される気体を加工を促進する加工ガスと
し、筒体内より被加工物に向けて放出されるものであ
る。

【００２９】

【作用】この発明に係るレーザ装置は、レーザビームの
中心に向う方向から所定の同一角度だけずらした方向に
気体を吹出す気体吹出口をレーザビームが通過する筒体
に複数配設し、この気体吹出口より吹出す気体の吹出し
圧を変化させることによりレーザビームの焦点位置をレ
ーザビームの軸方向に変化させる。

【００３０】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の一実施例を示すレーザ装置
の加工ヘッドの部分断面図であり、図において、６０
２、６０４、６０６、６０８、６０９、７０１、〜７０
３、７０６〜７０８は従来装置と同様である。

【００３１】１０１は加工ヘッド、１０２は加工ヘッド
本体６０６に嵌入装着されたほゞ円筒状の加工レンズホ
ルダ、１０３は加工レンズホルダ１０２の外周に設けら
れた溝１０２ｂと加工ヘッド本体６０６の内周とにより
形成されたリング状の空隙である。

【００３２】また、この発明の一実施例を示すレーザ装
置の構成は、従来装置を示す図７において、加工ヘッド
６０５に装着された加工レンズホルダ６０７を図１に部
分断面図が示される加工ヘッド６０６の加工レンズホル
ダ１０２に置き換えたものと同様である。

【００３３】そして、ポンプ６０８により加圧された加
工ガスはパイプ６０９により従来装置と同様にこの空隙
１０３に導かれる。

【００３４】１０４は空隙１０３の加工ガスを加工レン
ズホルダ１０２の内側に向けて吹出す加工レンズホルダ
１０２に設けられた気体吹出口である。

【００３５】また、この気体吹出口１０４は加工レンズ
ホルダ１０２に４個設けられ、いずれもレーザビーム６
０２の中心に垂直な面上に等間隔に配置されている。な
お、１０５は気体吹出口１０４より吹出される気体の進
行方向を示す矢印である。

【００３６】図２は、加工レンズホルダ１０２の（２）
−（２）部分断面図である。図２に示されるように、気
体吹出口１０４はレーザビーム６０２の中心８０１に向
う方向から右方に角度θだけずらした方向に加工ガスを
吹出すように配設されている。

【００３７】このように、気体吹出口１０４を配設する
ことにより、加工ヘッド本体６０６内のレーザビーム６
０２の中心付近において、加工ガスの密度分布に乱れが
生じレーザビーム６０２に対する屈折率に変化が生じ
る。

【００３８】すなわち、気体吹出口１０４より吹出され
る加工ガスの圧力が増加すると上述の密度分布の乱れは
大きくなりレーザビームに対する屈折率が増加し、レー
ザビーム６０２の焦点は加工レンズ７０１からより遠方
に結ばれるようになり、被加工物６０４の表面における
照射スポット径９０３が大きくなる。

【００３９】図３は、この発明の一実施例による加工ヘ
ッド１０１を使用した場合と、従来装置の加工ヘッド６
０５を使用した場合について、それぞれ加工ガスの圧力
と照射スポット径９０３の関係を実験により求めたグラ
フである。

【００４０】なお、図３のグラフにおいて横軸は加工ガ
スの圧力（Ｋｇ／ｃｍ² ）、縦軸は被加工物６０４の表
面における照射スポット径（ｍｍ）であり、焦点距離が
７．５″の加工レンズ７０１を使用した場合についての
データが示されている。また、この発明による加工ヘッ
ド１０１の気体吹出口１０４の気体吹出し方向はレーザ
ビーム６０２の中心に向う方向より角度θ＝５゜だけず
らした方向に設定されている。

【００４１】図３から、従来の加工ヘッド６０５を使用
した場合は、加工ガスの圧力を変化させても照射スポッ
ト径９０３はほとんど変化しないが、この発明の一実施
例によるレーザ装置の加工ヘッド１０１の場合は、加工
ガスの圧力を増加すると照射スポット径９０３が大きく
変化することが分る。

【００４２】すなわち、加工ヘッド１０１においては加
工ガスの圧力が０．３Ｋｇ／ｃｍ²から１．０Ｋｇ／ｃ
ｍ² に変化すると、照射スポット径９０３は０．１３ｍ
ｍから０．２８ｍｍに変化する。

【００４３】図４は、レンズ７０２と被加工物６０４間
におけるレーザビーム６０２の進行経路を示す図であ
り、図４（ａ）はピアシング時を示し、図４（ｂ）は切
断加工時を示している。

【００４４】図４に示されるように、ピアシング時と切
断加工時において加工レンズ７０１と被加工物６０４と
の距離は固定のまま、ピアシング時および切断加工時に
おいて、それぞれ溶融した金属を排除する適切な圧力に
加工ガスの圧力を設定することにより、レーザビームの
進行経路が変化し、ピアシング時および切断加工時にお
ける照射スポット径９０３はそれぞれ適切な大きさに変
化する。

【００４５】すなわち、図３に示されるように、ピアシ
ング時および切断加工時における加工ガスの圧力をそれ
ぞれ０．３Ｋｇ／ｃｍ² および０．８Ｋｇ／ｃｍ² に設
定すると、照射スポット径９０３はそれぞれほゞ０．１
３ｍｍおよびほゞ０．２０ｍｍに従属的に変化する。

【００４６】実施例２．実施例１においては気体吹出口
１０４は加工レンズホルダ１０２に設けられているが、
図５に示されるように、加工ヘッド本体５０２に設ける
ようにしてもよい。

【００４７】図５において、５０１は加工ヘッド、５０
２は上方が円筒状をなし、下方がノズル状の形状をなし
ている加工ヘッド本体、５０３は加工ヘッド本体５０２
に嵌入装着されているほゞ円筒状の加工レンズホルダ、
５０４は加工ヘッド本体５０２に設けられた気体吹出
口、５０５はポンプ６０８より加圧された加工ガスを気
体吹出口５０４に導くパイプである。

【００４８】加工レンズホルダ５０３の外周には溝がな
く、従って加工ヘッド本体５０２との間に実施例１のよ
うな加工ガスを導くための空隙はない。そして、加工ヘ
ッド本体５０２には加工レンズホルダ５０３よりやゝ下
方に気体吹出口５０４が設けられている。

【００４９】この気体吹出口５０４は加工ヘッド本体５
０２に４個設けられており、いずれもレーザビーム６０
２の中心に垂直な面上に等間隔に配設されている。

【００５０】そして、気体吹出口５０４は、いずれもレ
ーザビーム６０２の中心に向う方向から所定の同一角度
だけずらした方向に加工ガスを吹出すように配設されて
いる。このような図５に示される加工ヘッド５０１によ
っても実施例１と同様の効果が得られる。

【００５１】実施例３．図６は従来装置の加工ヘッド６
０５の上部にさらに別の気体吹出口１００３を設けるよ
うにした場合の加工ヘッドの部分断面図である。

【００５２】図において、６０２、６０４、６０７、〜
６１０、７０１〜７０８は従来装置を示す図８と同様な
ので説明を省略する。

【００５３】１００１は、加工ヘッド、１００２は上方
が円筒状をなし下方がノズル状をなしている加工ヘッド
本体、１００３は加工ヘッド本体１００２に設けられた
気体吹出口、１００４はポンプ、１００５はポンプ１０
０４で加圧された気体を気体吹出口１００３に導くパイ
プ、１００６は加工ヘッド本体１００２に設けられた気
体排出口である。また、１００７はポンプ１００４より
加工ヘッド本体１００２に導かれる加圧された気体の進
行方向を示す矢印であり、１００８は気体吹出口１００
３より加工ヘッド本体１００２内に向けて吹出された気
体が排出される方向を示す矢印である。

【００５４】気体吹出口１００３は加工ヘッド本体１０
０２の加工レンズホルダ６０７の上方に４個設けられて
おり、いずれもレーザビーム６０２の中心に垂直な面上
に等間隔に配設されている。

【００５５】そして、気体吹出口１００３は、いずれも
レーザビーム６０２の中心に向う方向から所定の同一角
度だけずらした方向に気体を吹出すように配設されてい
る。

【００５６】なお、気体排出口１０６は、気体吹出口１
００３より加工ヘッド本体１００２内に向けて吹出され
た気体を外部に排出するために設けられている。

【００５７】この図６に示す加工ヘッド１００１によれ
ば、ポンプ６０８の他にポンプ１００４が必要である。
そして、このポンプ１００４を用いて気体吹出口１００
３から吹出す気体の吹出し圧を変化させることにより、
加工レンズ７０１は固定したまま実施例１および実施例
２と同様にレーザビーム６０２のウェスト位置を変化さ
せることが出来る効果がある。

【００５８】また、加工レンズ７０１がレーザビーム６
０２により加熱されると熱レンズ効果と称される加工レ
ンズ７０１の焦点距離が変化する現象が発生するが、図
６に示す加工ヘッド１００１によれば、気体吹出口１０
０３より吹出される気体の吹出し圧を適切に設定するこ
とにより、加工レンズ７０１を固定したままこの熱レン
ズ効果を相殺することもできる効果がある。

【００５９】また、加工ガスを被加工物６０４に吹出す
加工ガス吹出口がレーザビームを放出するレーザビーム
放出口を兼用していない熱処理等のレーザ加工装置にお
いては、必要であれば加工ガス吹出口のみ被加工物６０
４に離接可能に配設し、加工レンズ７０１は固定するよ
うにしてもよい。

【００６０】すなわち、焦点の移動は気体吹出口１００
３から吹出される気体の吹出し圧力を変化することによ
り行うようにすればよく、このような場合は加工レンズ
７０１の移動機構を省略することができる効果がある。

【００６１】実施例４．上述の実施例１〜３においては
気体吹出口１０４、５０４、１００３はレーザビーム６
０２の中心に垂直な同一面上に４個配設するようにして
いるが、４個に限らず２個以上いずれの個数を設けるよ
うにしてもよく、同様の効果が得られる。

【００６２】但し、気体吹出口の数が少い場合はレーザ
ビームのプロファイルは円形とはならない場合がある。
例えば、気体吹出口が２個の場合にはレーザビームのプ
ロファイルは楕円になる。

【００６３】また、気体吹出口１０４、５０４、１００
３をレーザビーム６０２の中心に垂直な同一面上に配設
せず、レーザビーム６０２の進行方向にずらして配設し
てもよく、この場合は同一面上に配設する気体吹出口に
１０４、５０４、１００３の数は１個以上何個であって
もよい。

【００６４】しかし、この場合は個々の気体吹出口より
吹出す気体の圧力に変化を与えるなどの方法により、被
加工物６０４上でのレーザビーム６０２のプロファイル
に乱れが生じないようにする必要がある。

【００６５】

【発明の効果】この発明は以上のように構成されてお
り、レーザビームの中心に向う方向から所定の同一角度
だけずらした方向に気体を吹出す気体吹出口をレーザビ
ームが通過する筒体に複数配設し、この気体吹出口によ
り吹出す気体の吹出し圧を変化させることにより加工レ
ンズを固定したまゝレーザビームの焦点位置をレーザビ
ームの軸方向に変化できるので、加工ヘッドの構造が簡
単になり装置の信頼性を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるレーザ装置の加工ヘ
ッドの側面の部分断面図である。

【図２】図１の気体吹出口における平面の部分断面図で
ある。

【図３】この発明の実施例１によるレーザ装置の加工ヘ
ッドにおける加工ガスの圧力と照射スポット径との関係
を従来装置の加工ヘッドと対比して示した説明図であ
る。

【図４】この発明の実施例１によるレーザ装置の加工ヘ
ッドと被加工物付近内におけるレーザビームの径の変化
を示す説明図である。

【図５】この発明の実施例２によるレーザ装置の加工ヘ
ッドの側面の部分断面図である。

【図６】この発明の実施例２によるレーザ装置の加工ヘ
ッドの側面の部分断面図である。

【図７】従来のレーザ装置の概略を示す構成図である。

【図８】従来のレーザ装置の加工ヘッドの側面の部分断
面図である。

【図９】図８の気体吹出口における平面の部分断面図で
ある。

【図１０】従来のレーザ装置の加工ヘッド内と被加工物
付近におけるレーザビームの径の変化を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１０１加工ヘッド１０４気体吹出口５０４気体吹出口６０２レーザビーム６０４被加工物６０６加工ヘッド本体６０８ポンプ１００３気体吹出口１００４ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームが通過する筒体と、上記レーザビームを中心とする円周方向に互に所定距離
離隔して上記筒体に複数配設され、いずれも上記レーザ
ビームの中心に向う方向から所定の同一角度だけずらし
た方向に気体を吹出す気体吹出口と、上記気体吹出口より吹出される気体の吹出し圧を変化さ
せる気体圧力制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ装置
【請求項２】気体吹出口より吹出される気体は加工を
促進する加工ガスであり、筒体内より被加工物に向けて
放出されることを特徴とする請求項第１項記載のレーザ
装置。