JPH10328877A - レーザ光加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全て不活性ガスで冷却するとともに適切な冷
却とシールドが可能なレーザ加工ヘッドを提供する。 【解決手段】 内部にレーザ光を伝送する光ファイバ
１，２の通路３ａを有し、端部で光ファイバ１よりレー
ザ光を照射するスリーブ３と、このスリーブ３の光ファ
イバ１より照射されるレーザ光を集光して加工対象物１
０に照射する光学系９と、この光学系９の先端に設けら
れ集光されたレーザ光をノズル口１６より加工対象物１
０に照射するノズルチップ１３と、このノズルチップ１
３を先端に設け光学系９とスリーブ３とを内抱するケー
シング４，１４と、を備えたレーザ光加工ヘッドであっ
て、スリーブ３の内部の通路３ａと光ファイバ１，２と
の間隙を通り、光学系９を構成する光学系部品１１，１
２とケーシング１４との間隙を通り、ノズルチップ１３
より排出する不活性ガスを供給するガス供給装置８とを
有し、ノズルチップ１３は中心にノズル口１６を有しそ
の周囲に不活性ガスを排出するバイパス口１７を有す
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、冷却を不活性ガス
で行なうレーザ光加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のレーザ加工ヘッドの構成を
示す。光ファイバ２１は先端部以外は光ファイバカバー
２２で覆われ、スリーブ２３の内部に設けられた通路に
配置されている。スリーブ２３の先端は加工対象物３１
よりのレーザ反射光により加熱されるので周囲を取り囲
んで設けられたウォータジャケット２４により冷却され
ている。ウォータジャケット２４の端部にはキャップ２
５が螺合され、このキャップ２５の中心を光ファイバ２
１とその光ファイバカバー２２および光ファイバカバー
２２を保護する可撓性のある光ファイバ導管２６が同軸
状に貫通している。

【０００３】光ファイバ２１とその光ファイバカバー２
２および光ファイバ導管２６はレーザ源２７に接続して
いる。ウォータジャケット２４にはタンク２８の冷却水
がポンプ２９により循環しながら供給される。

【０００４】光ファイバ先端２１ａより照射されるレー
ザ光は光学系３０により集光され加工対象物３１に照射
される。光学系３０はレンズ３２とレンズ３２を保護す
るレンズ保護板３３からなる。光学系３０の先端にはノ
ズルチップ３４が設けられ、ノズル口３７よりレーザ光
を加工対象物３１に照射する。光学系３０を内抱し先端
にノズルチップ３４を取付け後端でウォータジャケット
２４の外周に嵌合するレンズケーシング３５が設けられ
ている。光学系３０はレンズケーシング３５の内面にレ
ンズ押え３６により固定されている。レンズ押え３６は
円筒状であるが、レーザ光照射方向にスリット３６ａが
複数条設けてあり、不活性ガスが通過できるようになっ
ている。

【０００５】レンズケーシング３５にはウォータジャケ
ット２４との接合部近傍に不活性ガス取り入れ口３８が
設けられ、ガスボンベ３９と接続され不活性ガスが供給
される。レンズ３２やレンズ保護板３３、およびノズル
チップ３４はレーザ光を吸収して加熱される。ノズルチ
ップ３４はさらにレーザ光による溶融金属やその周囲の
高温部からの輻射熱によっても加熱される。またレーザ
光により溶融された溶融金属は空気中の酸素を吸収して
劣化する。この光学系３０とノズルチップ３４の冷却お
よび溶融金属を空気から遮蔽するため不活性ガスをレン
ズケーシング３５に流し、ノズル口３７より排出して冷
却と空気のシールドが行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】原子炉内の細管補修な
ど、レーザ光の適用場所によってはウォータジャケット
２４で用いているように冷却水を使用すると、この冷却
水が放射物質などで汚染された場合、この汚染を除去す
る処理が必要になるので冷却水が使用できない。このた
めウォータジャケット２４で冷却されているスリーブ２
３も不活性ガスで冷却する必要がある。しかし、スリー
ブ２３の前面には加工対象物３１で反射したレーザ光が
光学系３０を通って戻ってきて当たり加熱されるので冷
却に多量の不活性ガスが必要になる。スリーブ２３と光
ファイバカバー２２との間隙に不活性ガスを通し、さら
にこのガスを光学系３０とノズルチップ３４の冷却に使
用し、ノズル口３７よりシールドカスとして溶融金属に
吹きつける。このようにすると冷却に必要な不活性ガス
の量はシールドに必要なガスの量よりかなり多いため、
この冷却ガスを全量溶融金属に吹き付けると、溶融面が
吹き飛び、ビート外観が乱れ、加工品質が劣化する。ま
た、適正なシールドに必要な量だけ不活性ガスを流す
と、スリーブ２３やノズルチップ３４は冷却不足となり
溶けて破損する。

【０００７】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、全て不活性ガスで冷却するとともに適切な冷却
とシールドが可能な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】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明では、内部にレーザ光を伝送する光
ファイバを配置した通路を有し、端部で光ファイバより
レーザ光を照射するスリーブと、このスリーブの光ファ
イバより照射されるレーザ光を集光して加工対象物に照
射する光学系と、この光学系の先端に設けられ集光され
たレーザ光をノズル口より加工対象物に照射するノズル
チップと、このノズルチップを先端に設け前記光学系と
前記スリーブとを内抱するケーシングと、を備えたレー
ザ光加工ヘッドであって、前記スリーブの内部の通路と
光ファイバとの間隙を通り、前記光学系を構成する光学
系部品とケーシングとの間隙を通り、前記ノズルチップ
より排出する不活性ガスを供給するガス供給装置とを有
し、前記ノズルチップは中心にノズル口を有しその周囲
に不活性ガスを排出するバイパス口を有する。

【０００９】スリーブの内部の通路に不活性ガスを通
し、スリーブを冷却し、そのガスをさらに光学系に通し
てこれを冷却した後、ノズル口よりシールドに必要な量
を吹き出し、残りはバイパス口より排出する。これによ
り冷却に必要な不活性ガスが冷却を必要とする部材に供
給され、ノズル口からはシールドに必要なガス量だけ排
出されるのでビートの外観の適切な高い加工品質が得ら
れる。

【００１０】請求項２の発明では、前記ノズルチップの
ノズル口はそれより排出される不活性ガスがレーザ光に
よる加工対象物の溶融範囲を覆うようになっており、バ
イパス口はそれより排出される不活性ガスが前記ノズル
口より排出される不活性ガスの外側に排出されるように
なっている。

【００１１】ノズル口からは加工対象物の溶融範囲を覆
うように不活性ガスが吹き出されるので、シールドが適
正に行われ、バイパス口からはノズル口より排出される
不活性ガスの外側に排出されるようになっているのでシ
ールドガスを乱さない。またこのバイパス口からの不活
性ガスによって加工面周囲を冷却するので、ここより発
生する輻射熱を押さえることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は実施の形態のレーザ
光加工ヘッドの構成を示す断面図である。図２は図１の
Ｘ−Ｘ断面図である。レーザ光加工ヘッドは、レーザ源
７で発生したＹＡＧレーザ等の高出力レーザを光ファイ
バ１で伝送し、光学系９でレーザ光を集光して加工対象
物１０へ照射し溶接や切断をする装置である。光ファイ
バ１は光ファイバカバー２で覆われ先端部が露出してい
る。スリーブ３は銅製の中空円筒体で内部通路３ａに光
ファイバ１を覆った光ファイバカバー２が配置されてい
る。光ファイバ１の露出部および光ファイバカバー２と
内部通路３ａとの間は不活性ガスの通路となっておりス
リーブ３はここを流れる不活性ガスにより冷却される。
スリーブケーシング４は中空円筒形でスリーブ３が内部
に嵌合している。

【００１３】スリーブケーシング４のレーザ源７側はキ
ャップ５が螺合している。キャップ５の中心をファイバ
導管６、中心に光ファイバ１を有する光ファイバカバー
２が同軸状に貫通しており、これらはレーザ源７に接続
されている。ファイバ導管６は表面がステンレス等で蛇
腹状に形成され可撓性を有するとともに気密性を有する
管で光ファイバカバー２を保護する。ファイバ導管６の
表面はキャップ５の中心に開けられた開口に密着し気密
性を保持する。ファイバ導管６の内面と光ファイバカバ
ー２の外面との間隙は不活性ガスの通路を形成してお
り、ガスボンベ８よりこの通路に不活性ガスが供給され
る。不活性ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス
や窒素ガス等が用いられる。

【００１４】光ファイバ先端１ａから照射されたレーザ
光は光学系９で集光され、ノズルチップ１３のノズル口
１６を通り加工対象物１０に照射される。レンズケーシ
ング１４は先端にノズルチップ１３を取付け、光学系９
を内抱し、後端でスリーブケーシング４と嵌合してい
る。光学系９はレンズ１１と、ノズル口１６側のレンズ
１１を加工対象物１０から飛び出してくる物体から保護
するレンズ保護板１２からなる。レンズ保護板１２はレ
ンズ１１と同じ材質で構成されレーザ光を通す。光学系
９は図２に示すようにリング状のレンズ押さえ１５で支
持されている。レンズ押さえ１５にはスリット１５ａが
設けられ、不活性ガスの通路を形成している。

【００１５】図３はノズルチップ１３の詳細図で、
（Ｂ）は縦断面図を示し、（Ａ）は（Ｂ）のＹ−Ｙ矢視
図である。ノズルチップ１３の中心にはノズル口１６が
設けられ、この周囲にバイパス口１７が設けられてい
る。ノズル口１６からはレーザ光と共に、溶融金属を空
気中の酸素から遮蔽する不活性ガス（シールドガス）が
吹き出され、バイパス口１７からは残りの不活性ガスが
排出される。

【００１６】ノズル口１６の大きさは、供給される不活
性ガスの圧力でシールドに必要なガス量が排出される大
きさとし、バイパス口１７の大きさと数は、スリーブ
３、光学系９およびノズルチップ１３を冷却するのに必
要な量としてガスボンベ８より供給されるガス量からシ
ールドに必要な量を差し引いたガス量を排出するように
決められる。

【００１７】ノズル口１６の形状は排出ガスがレーザ光
による溶融金属表面を覆うようにする。パイパス口１７
の向きはノズル口１６からのシールドガスの外側に吹出
すようにしてシールドガスを乱さぬようにしてある。バ
イパス口１７からのガスは溶融金属の周囲を冷却しここ
からの輻射熱の発生を押さえる。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、冷却に必要な不活性ガスを冷却を必要とする部品に
送るとともに、ノズル口から溶融金属を空気中の酸素か
ら遮蔽するのに適正な量のシールドガスを送るので、レ
ーザ加工ヘッドの適切な冷却と溶融金属の適切なシール
ドを達成することができる。またバイパス口から放出さ
るガスは溶融金属周辺の部材を冷却するのでレーザ加工
ヘッドへの輻射熱の発生を押さえる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の構成を示す図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。

【図３】ノズルチップの詳細図であり、（Ｂ）は縦断面
図、（Ａ）は（Ｂ）のＹ−Ｙ矢視図である。

【図４】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバ １ａ 光ファイバ先端 ２ 光ファイバカバー ３ スリーブ ３ａ 内部通路 ４ スリーブケーシング ５ キャップ ６ ファイバ導管 ７ レーザ源 ８ ガスボンベ ９ 光学系 １０ 加工対象物 １１ レンズ １２ レンズ保護板 １３ ノズルチップ １４ レンズケーシング １５ レンズ押さえ １５ａ スリット １６ ノズル口 １７ バイパス口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部にレーザ光を伝送する光ファイバを
   配置した通路を有し、端部で光ファイバよりレーザ光を
   照射するスリーブと、このスリーブ内の光ファイバより
   照射されるレーザ光を集光して加工対象物に照射する光
   学系と、この光学系の先端に設けられ集光されたレーザ
   光をノズル口より加工対象物に照射するノズルチップ
   と、このノズルチップを先端に設け前記光学系と前記ス
   リーブとを内抱するケーシングと、を備えたレーザ光加
   工ヘッドであって、前記スリーブの内部の通路と光ファ
   イバとの間隙を通り、前記光学系を構成する光学系部品
   とケーシングとの間隙を通り、前記ノズルチップより排
   出する不活性ガスを供給するガス供給装置とを有し、前
   記ノズルチップは中心にノズル口を有しその周囲に不活
   性ガスを排出するバイパス口を有することを特徴とする
   レーザ光加工ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ノズルチップのノズル口はそれより
   排出される不活性ガスがレーザ光による加工対象物の溶
   融範囲を覆うようになっており、バイパス口はそれより
   排出される不活性ガスが前記ノズル口より排出される不
   活性ガスの外側に排出されるようになっていることを特
   徴とする請求項１記載のレーザ光加工ヘッド。