JPH10180477A

JPH10180477A - レーザ加工ヘッド

Info

Publication number: JPH10180477A
Application number: JP8349067A
Authority: JP
Inventors: Jiyunichi Nabesawa; 惇一鍋沢
Original assignee: Niigata Engineering Co Ltd
Current assignee: Niigata Engineering Co Ltd
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1996-12-26
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズの冷却性能に優れ、レンズの集光性能
を長時間に渡って良好に維持することができ、しかもア
シストガスの良好な流れも乱すことのないレーザ加工ヘ
ッドを提供する。【解決手段】主ヘッド１のレンズホルダ３から下方に
延びる第１の円筒部１０を設け、ヘッドケース２２のノ
ズル取付部から上方に延びるアシストガス整流筒１１を
設ける。また、アシストガス整流筒１１の上端部分を第
１の円筒部の内側に全周に渡り隙間を形成した状態でか
つレンズ４の下面近傍に至るように挿入配置する。ヘッ
ドケースと第１の円筒部との間に形成される第１の空間
１２、第１の円筒部の下端部とアシストガス整流筒の上
端部との間に形成されるのリング状の空間１３、及びア
シストガス整流筒内に形成される第２の空間１４によっ
てアシストガス通路１５を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集光レンズ（以
下、レンズと称する）を用いてレーザビームを集光し、
この集光ビームとアシストガスとをノズルから重畳して
加工対象物（ワーク）に照射し加工するレーザ加工機の
加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に、従来知られている一般的な切断
用レーザ加工ヘッドの一例を示す。図中符号１は主ヘッ
ドを示し、この主ヘッド１の先端部はヘッドケース２に
よって覆われている。主ヘッド１の先端内部にはレンズ
ホルダ３が取り付けられ、このレンズホルダ３にはレン
ズ４がマウントされている。主ヘッド１には、レンズ４
を斜め上方から臨むようにノズル５が設けられ、このノ
ズル５からはレンズ冷却用のガスあるいはエアーが噴射
されるようになっている。また、主ヘッド１の先端部外
周にはウオータジャケット６が取り付けられ、このウオ
ータジャケット６に流入する冷却水によってレンズ４が
冷却されるようになっている。さらに、ヘッドケース２
にはアシストガス供給孔７が設けられ、ここからアシス
トガスがヘッドケース２内に供給される。

【０００３】前記主ヘッド１内には励起されたレーザビ
ームＬが導かれ、レンズ４によって集光されてノズル８
の下方位置のビーム集光点０で焦点を結ばれて、ワーク
を切断加工する。このとき、アシストガス供給孔７から
ヘッドケース２内に供給されるアシストガスは、ヘッド
ケース２の下端のノズル８からワークに向けて噴射され
る。また、前記加工中にレンズ４で熱が発生するが、こ
の発生した熱は、レンズ４→レンズホルダ３→主ヘッド
１→ウォータジャケット６へと伝達し、ウオータジャケ
ット６に供給される冷却水を通じて外部へ放出される。
また、ノズル５から吹き出される冷却用ガスまたはエア
ーによっても、レンズ４は冷却される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】レーザ加工機では、加
工中のレンズの集光性能の低下は、そのまま加工性能の
低下につながるためレンズの集光性能を良好に維持する
ことは非常に重要である。ところが、使用中のレンズ
は、ワークから加工中に飛散するスパッタやヒュームに
より汚損されてビーム吸収率が増加する。レンズを透過
するレーザビームを吸収し、発熱により発生するレンズ
の熱誘起光学歪み（いわゆる熱レンズ効果）は、ビーム
吸収率の増加に伴って増大し集光性能の低下を招く。汚
損が進み集光性能の低下によって、所定の加工性能が得
られなくなったレンズは寿命と判断される。

【０００５】これを改善するため、すなわち、レンズを
清浄に保つために集光ビームの出口である、いわゆるノ
ズルの口径を小さくしてスパッタやヒュームの侵入を制
限することが従来から行われている。しかしながら、こ
の改善方法には、ノズルとビームの干渉や加工に対する
アシストガスの効果を考慮すると、自ずと限界がある。

【０００６】また、レンズで発生した熱を除去して歪み
を抑えるという考えから、前記図１に示すように、レン
ズ４の支持部の熱伝導を利用してレンズ４の周囲から冷
却する方法（ウオータジャケット６による冷却方法）も
一般に実施されている。しかしながら、この改善方法に
あっても、レーザビームのパワー密度は通常ビーム中心
が最も高く、レンズ４は中心部が最も発熱するのに対し
円周部からの冷却であるため、特に外径の大きいレンズ
４では十分であるとは言えないという問題があった。

【０００７】このため、図１にも示すように、レンズ４
のビーム入光面（上面）からレンズ４中心部を強制空冷
することも行われているが、この改善方法でも未だ不十
分であった。

【０００８】そこで、本発明者等が鋭意研究した結果、
レンズ４の下面から冷却することも有効であることを見
いだした。このレンズの下面から強制冷却方法を実現す
るために、たとえば、アシストガスを斜め下方からレン
ズ下面に向けて吹き出させる方法も考えられるが、アシ
ストガスがヘッドケース２内で渦巻き、ノズル８から噴
流となって出たあとの流れに悪影響を及ぼす等の別の問
題が発生する。すなわち、アシストガスがヘッドケース
２の内壁にぶつかり下方に流れる過程で渦を生じると、
ガスの下方向の流れの勢いが減じられるため、ノズル８
から侵入してくるスパッタやヒュームを押し戻す効果が
少なくなると同時に、ノズル８から出る噴流の勢いも弱
くなり、ワークの加工能力が低下するという問題が発生
してしまう。なお、ヘッドケース２内でアシストガスが
渦巻くと、自由渦のため半径に反比例した速度の回転成
分となるため、半径の小さいノズル８を通過中に回転成
分が大きくなり、ノズル８を出た噴流は遠心力で推進方
向に対して横に拡がる。このため、切断加工中のワーク
溶融物等を吹き飛ばす力が弱まるため、加工能力が低下
することとなる。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あって、レンズの冷却性能に優れ、レンズの集光性能を
長時間に渡って良好に維持することができ、しかもアシ
ストガスの良好な流れも乱すことのないレーザ加工ヘッ
ドを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項１記載の発明では、主ヘッドの先端部に
支持されたレンズにより集光されるレーザービームが主
ヘッドの先端部を囲むヘッドケースの下端に設けられた
ノズルから出力されるとともに、前記ヘッドケースの側
部に設けられたガス導入孔からヘッドケース内に導入さ
れるアシストガスが前記ノズルから噴射されるレーザ加
工ヘッドにおいて、前記主ヘッドのレンズ支持部から下
方に延びる第１の円筒部を設け、前記ヘッドケースの前
記ノズル取付部から上方に延びる第２の円筒部を設ける
とともに、該第２の円筒部の上端部分を前記第１の円筒
部の内側に全周に渡り隙間を形成した状態でかつ前記レ
ンズの下面近傍に至るように挿入配置し、前記ヘッドケ
ースと第１の円筒部との間に形成される第１の空間、第
１の円筒部の下端部と第２の円筒部の上端部との間に形
成されるのリング状の空間、及び第２の円筒部内に形成
される第２の空間によってアシストガス通路を形成した
ことを特徴としている。請求項２記載の発明では、前記
レンズと、前記第１の円筒部と、前記第２の円筒部と、
前記ノズルとを同一軸線上に配置したことを特徴として
いる。請求項３記載の発明では、前記第２の円筒部の内
壁を上端から下方に向かうにしたがい漸次径小となるテ
ーパー状に形成したことを特徴としている。請求項４記
載の発明では、前記第１の円筒部の内壁表面、または前
記第２の円筒部の第１の円筒部内に挿入される外壁表
面、あるいはその両方に上方から下方に縦の隔壁を少な
くとも１つ以上設け、前記リング状の空間を縦に仕切る
ことを特徴としている。請求項５記載の発明では、前記
隔壁が前記第１の円筒部の内壁と接触することを特徴と
している。

【００１１】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を図２および図
３を参照して説明する。なお、前記図１で示す従来例で
示した構成要素と同一構成要素には同一符号を付して、
その説明を省略する。

【００１２】レンズホルダ３の下端部はアシストガス供
給孔７よりも下方に延長して円筒状とされ、第１の円筒
部１０が形成されている。また、ヘッドケース２２の下
端のノズル取付部外周には新たに設けたアシストガス整
流筒（第２の円筒部）１１が、ヘッドケース２２の下端
から上方に延びて、その上端部が前記レンズホルダ３の
下端部の第１の円筒部１０内に挿入されるように配置さ
れている。アシストガス整流筒１１は、上端がレンズ４
下面より少し離れた位置になるように、その高さを設定
されている。アシストガス整流筒１１の外径寸法は、レ
ンズホルダ３の下端の第１の円筒部１０との間にアシス
トガスの流れを阻害しない隙間を全周に渡って形成する
ように決定されており、また、その内径部は集光ビーム
に干渉しない範囲で、下方に向かうにしたがい漸次径小
となるようにテーパー状に形成されている。また、図３
に示すようにレンズホルダ３の下端部の第１の円筒部１
０内に挿入されるアシストガス整流筒１１の上部外壁表
面には、上方から下方に縦に延びる山形形状の隔壁１１
ａを複数設けている。勿論、隔壁１１ａの形状は山形に
限定されるものではなく、また、図３では隔壁１１ａの
先端がレンズホルダ３の第１の円筒部の内壁まで達して
いるが、必ずしもその必要はない。

【００１３】前記ヘッドケース２２と第１の円筒部１０
との間に形成される第１の空間１２、第１の円筒部１０
の下端部とアシストガス整流筒１１の上端部との間に形
成されるリング状の空間１３、及びアシストガス整流筒
１１内に形成される第２の空間１４によってアシストガ
ス通路１５が形成されている。さらに、リング状の空間
１３は、前記山形形状の隔壁１１ａにより縦に分割され
た空間を形成している。また、前記レンズ４と、前記第
１の円筒部１０と、前記アシストガス整流筒１１と、前
記ノズル８とは同一軸線上に配置されている。

【００１４】さらに、ヘッドケース２２は下方が２段に
絞られており、前記ヘッドケース２２と第１の円筒部１
０との間に形成される第１の空間１２に流れ込んだアシ
ストガスが、ヘッドケース２２内の下方にむやみに向か
わず、速やかに前記リング状の空間１３に向かうように
工夫されている。なお、そのほかの構成は前記図１で示
した従来のものと同様である。

【００１５】次に、上記構成のレーザ加工ヘッドの作用
について説明する。アシストガスはヘッドケース２２に
設けたアシスト供給孔７から供給されるが、ノズル８へ
と流れる過程で、一旦、ヘッドケース２２と第１の円筒
部１０との間に形成される第１の空間１２から第１の円
筒部１０の下端部とアシストガス整流筒１１の上端部と
の間に形成されるリング状の空間１３が縦に分割された
それぞれの空間に流入して同空間をおのおの上方向に流
れ、レンズ４の下面に全量が勢いよく吹き付けられる。
ここで、レンズ４で発生した熱を奪い取り、その後直ぐ
に下方に向きを変えてアシストガス整流筒１１内を通
り、ノズル８から機外に噴出する。さらに詳しく述べる
と、アシストガス流は、ウォータジャケット６で冷却さ
れた第１の円筒部１０の外壁、内壁と接しながら流れる
際にガスそのものが冷却され、その後、レンズ４の下面
円周部から中心点に向かって全表面を舐めるように流れ
るので、無駄なくレンズ冷却効果を発揮する。また、ア
シストガス整流筒１１自体がレンズホルダ３と接触して
いるためウォータジャケット６によって熱伝導により冷
却されるため、アシストガスが空間１３を流れる際によ
り冷却されるため、レンズ４の冷却がさらに良くなる。
このようにして、アシストガスを利用してレンズの強制
冷却が有効に行われる。

【００１６】また、前述したようにアシストガスがヘッ
ドケースの内壁にぶつかり下方に流れる過程で渦を生じ
るときには、ノズル８から侵入してくるスパッタやヒュ
ームを押し戻す効果が少なくなる等の問題が生じたが、
上記構成のレーザ加工ヘッドでは、アシストガス供給孔
７から入ったアシストガスは、レンズホルダ３の第１の
円筒部１０とアシストガス整流筒１１とのリング状の空
間１３が縦に分割されたそれぞれの空間に流入し隔壁１
１ａによって円周方向の回転成分の発生が抑制され、レ
ンズ４の下面に垂直均等に吹きかけられるので、レンズ
４の下面で折り返したアシストガスは、ノズル８まで一
方向に乱れることなく一気に流れるため、前記した渦流
は発生せず、前記した問題は生じない。この結果、レン
ズの汚損を抑制しレンズ寿命を長くでき、かつ良好な加
工ができる。

【００１７】

【実施例】実際の使用試験での結果を次に挙げる。（１）各種条件レーザ出力＝３０００Ｗ、レンズ焦点距離＝７．５イン
チのレンズ内蔵の加工ヘッド、ワーク＝軟鋼板、厚さ１
９ｍｍ、大きさ５×１０フィート、ワーク一枚の製品個
数＝５３個、ワーク１枚のピアシング回数＝５７回

【００１８】（２）評価項目と結果１）吹き上げ加工不良の発生従来の加工ヘッド＝ワー
ク１枚に対して１〜２回発生がある。本発明の加工ヘッ
ド＝１５枚加工しても１回も発生しなかった。なお、厚
鋼板をレーザ切断するには、通常ピアシングと言われる
アシストガスの通る穴をまず最初にあける行程と、次の
加工行程との２段階で行う。いずれの行程でもワークが
過剰に溶融すると溶融物が加工点から四方に飛散し、あ
たかも火山の噴火のようになる。この状態を吹き上げ加
工不良と称している。この加工不良が発生すると加工製
品が不良になるばかりではなく、飛散した溶融物がレン
ズやノズルに付着しダメージを与えることが多い。この
ような不良はアシストガスの乱れや、レーザパワーの過
剰などが原因で引き起こされる。２）加工後のレンズ下面状態従来の加工ヘッド＝レン
ズ中心部にスパッタによる付着が数個見られた。本発明
の加工ヘッド＝スパッタの付着は見られなかった。３）適正加工アシスガス圧従来の加工ヘッド＝約
０．０８ＭＰａ本発明の加工ヘッド＝約０．０４ＭＰａなお、通常の加工機では、被加工材料と加工速度によっ
て決まる、加工反応に適したアシストガスの供給量を加
工ヘッドに取り付けた圧力計で圧力に換算して読み取る
ことが一般的に行われる。使用試験の結果数値を考察す
ると、本発明の適正アシストガス圧が従来より低くても
加工が従来と同等に行えることから、アシストガスの噴
流が本発明より改善されたと考えられる。ガスの消費量
も低減され、ランニングコストの改善にも寄与している
ことがわかる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ加
工ヘッドによれば、アシストガスを有効に利用し、かつ
効果的に流動させるようにしたことにより以下の効果を
奏する。１）レンズの冷却を高め、集光性能の向上、すなわち、
加工性能の向上が図れる。２）加工中のワークからのスパッタの飛来を抑制し、レ
ンズの汚損を低減しレンズの寿命を長くすることができ
る。３）アシストガスの流れが整流されるため、ノズルから
噴出したガスの噴流の周囲への拡がりが抑制され、切断
加工ではワークの切断面の粗さ品質が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のレーザ加工ヘッドの一例を示す断面図
である。

【図２】本発明に係るレーザ加工ヘッドの実施の形態
を示す断面図である。

【図３】図２のＡーＡ線に沿う断面図である。

【符号の説明】

１主ヘッド２ヘッドケース３レンズホルダ（レンズ支持部）４レンズ、７アシストガス供給孔８ノズル１０第１の円筒部１１アシストガス整流筒１２第１の空間１３リング状の空間１４第２の空間１５アシストガス通路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主ヘッドの先端部に支持されたレンズに
より集光されるレーザービームが主ヘッドの先端部を囲
むヘッドケースの下端に設けられたノズルから出力され
るとともに、前記ヘッドケースの側部に設けられたガス
導入孔からヘッドケース内に導入されるアシストガスが
前記ノズルから噴射されるレーザ加工ヘッドにおいて、前記主ヘッドのレンズ支持部から下方に延びる第１の円
筒部を設け、前記ヘッドケースの前記ノズル取付部から
上方に延びる第２の円筒部を設けるとともに、該第２の
円筒部の上端部分を前記第１の円筒部の内側に全周に渡
り隙間を形成した状態でかつ前記レンズの下面近傍に至
るように挿入配置し、前記ヘッドケースと第１の円筒部との間に形成される第
１の空間、第１の円筒部の下端部と第２の円筒部の上端
部との間に形成されるのリング状の空間、及び第２の円
筒部内に形成される第２の空間によってアシストガス通
路を形成したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】前記レンズと、前記第１の円筒部と、前記
第２の円筒部と、前記ノズルとを同一軸線上に配置した
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】前記第２の円筒部の内壁を上端から下方に
向かうにしたがい漸次径小となるテーパー状に形成した
ことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工ヘ
ッド。
【請求項４】前記第１の円筒部の内壁表面、または前記
第２の円筒部の第１の円筒部内に挿入される外壁表面、
あるいはその両方に上方から下方に縦の隔壁を少なくと
も１つ以上設け、前記リング状の空間を縦に仕切ること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加
工ヘッド。
【請求項５】前記隔壁が前記第１の円筒部の内壁と接触
することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工ヘッ
ド。