JPH0810978A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は供給材料の送給ノズルのため、著し
く、加工の自由度を制限された従来例の不具合を解消し
たレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。 【構成】 本発明はレーザ光を集光手段により加工部材
の加工点近傍に集光させ、加工点に容加材、反応材その
他の加工促進に適した供給材料を供給しながら溶接、溶
射、切断、クラッディング、表面処理等の諸レーザ加工
を行なうレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光の集光手
段と加工点との間に光路屈折のために設けられた少なく
とも一つのレーザ光の反射面と、同反射面の中央に穿設
された貫通孔と、少なくとも加工点に近い側の反射面の
貫通孔の裏面側から加工点近傍にむかって供給材料を供
給する材料供給手段とを具備してなることを特徴とする
レーザ加工ヘッド、を構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄鋼部材等の溶接、溶
射、切断、クラッディング、表面処理等に適用されるレ
ーザ加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接、切断その他の加工を行なう従来の
レーザ加工装置の要部概観図を図６に、その加工部の縦
断面の詳細を３例について図７に（ａ）〜（ｃ）で示
す。

【０００３】即ち、従来のロボットまたはＣＮＣ加工機
に搭載して用いる高出力レーザ加工では、反射または透
過系光学系を用いた伝送を手段としレーザ加工ヘッド３
５を用い、溶加材、反応材等として、ワイヤ３４や粉体
３８を供給する場合、図７のように、伝送されて来たレ
ーザ光１を集光レンズ２で集束の後、加工部材２７に照
射して、この位置即ち、加工点に横方向から送給ノズル
８により、たとえばワイヤ３４または粉体３８を光軸に
交差した角度で供給する手段が一般的である。

【０００４】なお、図７において、（ａ）は反応材その
他の適材を粉体３８として供給しながら（ｂ）はワイヤ
３４を溶加材として供給しながら各溶接を行なっている
状態を、（ｃ）は切断に適した粉体３８を供給しながら
切断ガスを併わせ供給して切断を行なっている状態をそ
れぞれ示す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のレーザ加工
ヘッドには解決すべき次の課題があった。

【０００６】即ち、高出力レーザ加工は、多軸を有する
多関節ロボットやＣＮＣ加工機等に伝送光学系や出射
（加工）光学系からなる光路及び加工ヘッドを搭載した
装置により、複雑な形状の製品加工を行なうが、この場
合、レーザ光に対し、ワイヤや粉体が横方向から供給さ
れるため図６のように加工姿勢及び加工方向により供給
位置や供給方向の制約を受けて、二次元、三次元形状及
び狭隘部を有する製品加工では加工が著しく困難となる
という問題があった。

【０００７】本発明は上記問題を解決するため、レーザ
光の光軸に沿って（横方向からでなく）供給材料を供給
するレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題の解決
手段として、レーザ光を集光手段により加工部材の加工
点近傍に集光させ、加工点に容加材、反応材その他の加
工促進に適した供給材料を供給しながら溶接、溶射、切
断、クラッディング、表面処理等の諸レーザ加工を行な
うレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光の集光手段と加
工点との間に光路屈折のために設けられた少なくとも一
つのレーザ光の反射面と、同反射面の中央に穿設された
貫通孔と、少なくとも加工点に近い側の反射面の貫通孔
の裏面側から加工点近傍にむかって供給材料を供給する
材料供給手段とを具備してなることを特徴とするレーザ
加工ヘッド、を提供しようとするものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記のように構成されるので次の作用
を有する。

【００１０】即ち、レーザ光の集光手段と加工点との間
に光路屈折のために設けられたレーザ光の反射面と、反
射面の中央に穿設された貫通孔と、少なくとも加工点に
近い側の反射面の貫通孔の裏面側から加工点近傍にむか
って供給材料を供給する材料供給手段とを備えるため、
供給材料（容加材、反応材等）をレーザ光の光軸に沿っ
て供給できる。

【００１１】従って、横方向から供給する従来のよう
に、スペース、方向、姿勢等に制限されることが一切な
いから、加工性能が著しく向上する。

【００１２】

【実施例】本発明の第１〜第３実施例を図１〜図５によ
り説明する。なお、従来例ないしは先の実施例と同様ま
たは同機能の構成部材には煩雑を避けるため同符号を付
し、必要ある場合を除き、説明を省略する。また、たと
えばＯリング等、実施例において、その大きさの違いが
特段の意味を持たない部材についてはすべて同一の符号
を付してある。

【００１３】（第１実施例）第１実施例を図１〜図３に
より説明する。

【００１４】図１は本実施例のレーザ加工ヘッド３５ａ
の縦断面図、図２は本実施例の理解を容易にするため、
主要部材のみで示した模式的縦断面図、図３は本実施例
の模式的外観図（斜視図）である。

【００１５】理解を容易にするため、先ず、図２により
要部構成について説明すると、１はレーザ光、２はレー
ザ光１を集光するための集光レンズ、３は集光レンズ２
で集光されたレーザ光１が焦点を結ぶ近傍、即ち、最も
高エネルギ密度となる集光点の直下の加工点Ｐとの間に
光路屈折のために設けられた第１反射ミラー、４は第１
反射ミラー３の反射したレーザ光１を再反射して加工点
Ｐに向かわせるための第２反射ミラー、６は後述する供
給材料３４や、その送給ノズル８、貫通孔６ａの出口部
その他がレーザ光１によって高エネルギに晒されないよ
う第１反射ミラー３の中央に穿設された貫通孔、６ａは
供給材料３４を第２反射ミラー４の裏面側から供給する
ための送給ノズル８を挿入するため第２反射ミラーに設
けられた貫通孔、９は貫通孔６を通った貫通光３３を、
たとえば高温発生等の障害が生じないよう吸収するため
の受光ダンパ、１０は第１反射ミラー３の貫通孔６によ
ってレーザ光１の反射光に無反射（欠如）の生じた空間
である。なお、加工点Ｐの部位には加工部材の溶接部、
切断部等が位置することとなる。

【００１６】上述から明らかな通り、集光されたレーザ
光１を第１反射ミラー３等で屈折させる主たる理由は光
路に沿って供給材料３４を加工点Ｐに送給する適切な位
置を生むため及びその実施に障害となるレーザ光１の一
部を欠如させるためであり、屈折自身に特段の意味を有
するものではない。

【００１７】次に図１により、本実施例をその作用と併
わせ詳細に説明する。

【００１８】本実施例は供給材料３４として粉体を用い
た溶射用のレーザ加工ヘッド３５ａの例である。

【００１９】図において、レーザ加工ヘッド３５ａに伝
送されてきたレーザ光１をレンズ冷却溝１４、Ｏリング
３１、レンズ冷却水出入口１３で構成した冷却機構を有
したレンズホルダ２９で支持された集光レンズ２で集光
せしめ、その集束過程においてレンズホルダ２９に取付
けられた余圧筒２５の前方（レーザ光１の方向）に第１
反射ミラー冷却溝１８、Ｏリング３１、第１反射ミラー
冷却水出入口１９で構成した冷却機構を備えた第１反射
ミラーアライメント機構１６部に取付けられた第１反射
ミラー３で他方に折り返し反射させる。

【００２０】その第１反射ミラー３の光軸上に貫通孔６
を施して、第１反射ミラーアライメント機構１６で伝送
されてきたレーザ光１の中央部近傍を貫通させ、第１反
射ミラー３の裏面に配したダンパ冷却溝２１、Ｏリング
３１、ダンパ冷却水出入口２０から成る冷却機構を有し
た受光ダンパ９にて、その貫通光３３のエネルギーを吸
収させる。その際、第１反射ミラー３で反射されたレー
ザ光１には貫通光３３分が欠如した空間１０が形成され
る。この空間１０を有した伝送レーザ光１をその光軸上
前方に余圧筒２５に取付けられた送給筒２６に支持さ
れ、第２反射ミラー冷却溝１５、Ｏリング３１、第２反
射ミラー冷却水出入口２２から成る冷却機構を備えた第
２反射ミラーアライメント機構１７部に取付けられた第
２反射ミラー４で加工点Ｐ方向へ再度反射伝送する。こ
の第２反射ミラー４にも第１反射ミラー３同様の位置に
貫通孔６ａを施す。ただし、この貫通孔６ａは、集束過
程で第２反射ミラー４面に到達する空間１０の径と同径
または小径にして貫通孔６ａ内にレーザ光１のエネルギ
ーが到達しないようにする。これにより第２反射ミラー
４の裏面から貫通孔６ａを用いて送給ノズル８を押え板
３２で取付け、加工点Ｐ方向への供給材料３４（粉体）
を送給可能に構成してある。溶射のため、図示しない粉
体を送給するには、余圧筒２５に設けた余圧ガス入口１
２から加工ガスと同じガスを用いて、余圧筒２５、送給
筒２６に余圧をかけて、送給ノズル８から圧送されてく
る粉体の流路に加工ガスを補う。また、これにより、第
１反射ミラー３及び第２反射ミラー４の清潔度を保たせ
る。

【００２１】さらに、加工ノズル７内への流路を確保す
るために、第２反射ミラー４の前方にホッパ５を設け、
これに加工ノズル７を取付ける。その外側に加工ノズル
７に到達した粉体を吸引方式にて流速調整を行うべく、
ノズル冷却溝２３、ノズル冷却水出入口２４の冷却機構
を有した吸引ノズル１１ａを取付け、吸引ガスを吸引ガ
ス入口２８ａから圧送し、その圧力及び流量の調整を行
う。これらにより送られた粉体は、集光点近傍において
溶融あるいは蒸発に至り、加工点Ｐで加工に寄与する。

【００２２】このように加工エネルギー軸即ち、レーザ
光１軸と供給材料３４、即ち粉体の送給軸を同軸にする
ことにより、従来、加工点Ｐ近傍に斜め横方向から突出
した送給ノズル８を光軸の後方に包含させた形態とする
ことができ加工部材２７の加工点Ｐ、即ち、溶射部位
は、従来のように加工点Ｐ近傍に横方向から送給ノズル
８が突出する状態と相違して、その向き、傾き、相対的
移動に何らの拘束を受けないので、溶射加工の自由度が
著しく高まる、という顕著な利点がある。

【００２３】なお、図中、３０は本レーザ加工ヘッド３
５ａを取付ける加工機取付を示す。

【００２４】（第２実施例）第２実施例を図４により説
明する。

【００２５】図４は本実施例のレーザ加工ヘッド３５ｂ
の縦断面図で、図１と同様の構成部材には同符号が付し
てある。

【００２６】本実施例は供給材料３４としてワイヤを用
いた溶接用のレーザ加工ヘッド３５ｂの例である。

【００２７】図において、８ａはワイヤ送給用の送給ノ
ズルを、３６はワイヤを供給するためのストレーナを、
１１ｂはシールドノズルを、２８ｂはシールドガスの入
口を示す。供給材料３４すなわちワイヤは送入されて集
光点近傍で加熱され、加工点Ｐではステッキング防止が
出来る特徴を有している。その他の構成は図１と同様で
ある。本実施例においても溶接の自由度が格段に高まる
という作用効果が得られる。

【００２８】（第３実施例）第３実施例を図５により説
明する。

【００２９】図５は本実施例のレーザ加工ヘッド３５ｃ
の縦断面図で図１と同様の構成部材には同符号が付して
ある。

【００３０】本実施例は供給材料３４として反応材（粉
体）を用いた切断用のレーザ加工ヘッド３５ｃの例であ
る。

【００３１】供給材料３４をなす反応材は粉体であるか
ら、溶射用の第１実施例と特段の相違はないものの、本
実施例では余圧ガスを切断ガスとして用いるので、吸引
ノズル１１ａ、ノズル冷却溝２３、ノズル冷却水出入口
２４、吸引ガス入口２８ａを取除いた例を図示してあ
る。

【００３２】本実施例においても溶射の自由度が格段に
高まるという作用効果がある。

【００３３】以上、第１〜第３実施例は第１反射ミラー
３、第２反射ミラー４を用いてレーザ光１を２度屈折さ
せる例で説明したが、たとえば第２反射ミラー４の貫通
孔６ａの出口近傍等がレーザ光に侵されないような処
置、たとえば高性能冷却、孔断面を角形として入射平面
で無害方向への反射、正対面（孔内面）を球状にしてエ
ネルギ拡散状に反射、光路中央に外部が黒体をなし、内
部は冷媒高速循環形の遮光体懸架その他の適切な手段に
よって合目的な処置が講じられれば、必ずしも２度屈折
させる必要はなく、たとえば第１反射ミラー３の反射方
向に沿って直接、集光されたレーザ光が入るよう構成さ
れてもよい。

【００３４】以上の通り、第１〜第３実施例によれば、
従来、加工部材２７の加工点近傍に斜め横方向から突出
させねばならなかった供給材料３４用の送給ノズル８
（及び８ａ）を加工点Ｐに近い側の第２反射ミラー４に
穿設した貫通孔６ａに裏面から挿通して供給材料３４
（ワイヤ、粉体等）の送給をレーザ光１の光軸に沿わせ
るので、加工作業に送給ノズル８等が全く邪魔になら
ず、レーザ加工ヘッド３５ａ〜３５ｃに対する、詳しく
は加工ノズル７に対する加工部材２７の相対姿勢、向
き、移動空間等の自由度が格段に高まり、加工が著しく
容易になるという利点がある。

【００３５】従って、従来は小自由度のために不可能で
あったレーザ加工の多くが可能となる利点がある。

【００３６】また、従来は、たとえば、送給ノズル８の
ため、加工部材２７の向き変更を余儀なくされ、加工作
業を中断、加工部材２７のセットをし直さなければなら
なかったような加工が、連続一工程で完了するため、作
業能率が著しく向上するという利点がある。

【００３７】また、加工の連続性が保証されるため、中
断等によって生じる加工ムラが無くなるという利点があ
る。

【００３８】また、加工点近傍に視野を妨げる送給ノズ
ル８がないので、加工部位を明視でき、加工ミスが生じ
ないという利点がある。

【００３９】また、光軸に沿って供給材料３４が供給さ
れるので供給材料の到達が加工点を外れることがないと
いう利点がある。

【００４０】また、加工点近傍に斜め横方向から突出す
る送給ノズル８がないため、きわめて洗練されたレーザ
加工ヘッドが得られ、商品価値が格段に高まるという利
点がある。

【００４１】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されるので次
の効果を有する。

【００４２】即ち、本発明によれば、レーザ光の光軸に
沿って光軸の後方から、容加材、反応材その他の供給材
料を送給できるので、従来のように供給材料用の送給ノ
ズルを加工点近傍に横方向から突出させる必要がなく、
加工部材と加工ノズルとの相対姿勢、向き、移動空間等
の自由が格段に高まり、加工が著しく容易である。

【００４３】また、従来、不可能であったレーザ加工の
多くが可能となる。

【００４４】また、加工自由度の高まりによって、作業
能率が向上する。

【００４５】また、加工自由度の高まりによって連続作
業が可能となり、加工ムラがなくなる。

【００４６】また、加工部位に視界を妨げる送給ノズル
がないので、加工ミス率が著減する。

【００４７】また、レーザ光軸に沿って供給材料（溶加
材、反応材等）が送給されるので送給が加工点を外れる
ことがない。

【００４８】また、加工ノズルの先端近傍に横方向から
突出する送給ノズルがないので著しくスマートなレーザ
加工ヘッドが得られ、商品価値が格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の縦断面図、

【図２】第１実施例の要部の模式的縦断面図、

【図３】第１実施例の模式的外観図、

【図４】本発明の第２実施例の縦断面図、

【図５】本発明の第３実施例の縦断面図、

【図６】従来例の外観図、

【図７】従来例の加工ノズルの縦断面で示した３様の例
の図で、（ａ）は反応材その他の適材（供給材料）を粉
体として供給しながら、（ｂ）はワイヤを溶加材として
供給しながら、各々溶接を行なっている状態を、（ｃ）
は切断に適した粉体を供給しながら切断ガスを併わせ供
給して切断を行なっている状態をそれぞれ示す図であ
る。

【符号の説明】

１ レーザ光 ２ 集光レンズ ３ 第１反射ミラー ４ 第２反射ミラー ５ ホッパ ６，６ａ 貫通孔 ７ 加工ノズル ８，８ａ 送給ノズル ９ 受光ダンパー １０ 空間 １１ａ 吸引ノズル １１ｂ シールドノズル １２ 余圧ガス入口 １３ レンズ冷却水出入口 １４ レンズ冷却溝 １５ 第２反射ミラー冷却溝 １６ 第１反射ミラーアライメント機構 １７ 第２反射ミラーアライメント機構 １８ 第１反射ミラー冷却溝 １９ 第１反射ミラー冷却水出入口 ２０ ダンパー冷却水出入口 ２１ ダンパ冷却溝 ２２ 第２反射ミラー冷却水出入口 ２３ ノズル冷却溝 ２４ ノズル冷却水出入口 ２５ 余圧筒 ２６ 送給筒 ２７ 加工部材 ２８ａ 吸引ガス入口 ２８ｂ シールドガス入口 ２９ レンズホルダ ３０ 加工機取付部 ３１ Ｏリング ３２ 押え板 ３３ 貫通光 ３４ 供給材料 ３５ａ〜３５ｃ レーザ加工ヘッド ３６ ストレーナ ３７ 切断ガス ３８ 粉体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を集光手段により加工部材の加
   工点近傍に集光させ、加工点に容加材、反応材その他の
   加工促進に適した供給材料を供給しながら溶接、溶射、
   切断、クラッディング、表面処理等の諸レーザ加工を行
   なうレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光の集光手段と
   加工点との間に光路屈折のために設けられた少なくとも
   一つのレーザ光の反射面と、同反射面の中央に穿設され
   た貫通孔と、少なくとも加工点に近い側の反射面の貫通
   孔の裏面側から加工点近傍にむかって供給材料を供給す
   る材料供給手段とを具備してなることを特徴とするレー
   ザ加工ヘッド。