WO2013111677A1

WO2013111677A1 - レーザ加工装置

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Publication number: WO2013111677A1
Application number: PCT/JP2013/050906
Authority: WO
Inventors: 小関　良治
Original assignee: 澁谷工業株式会社
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-08-01
Also published as: JP2013150995A

Abstract

　レーザ加工装置（１）は、レーザ光（Ｌ）を発振するレーザ発振器（４）と、上記レーザ光（Ｌ）を被加工物（２）に導光する導光手段（５）と、液体（Ｆ）を供給する液体供給手段（６）と、上記液体供給手段（６）の液体（Ｆ）を流通させる液体通路（７）を備えた加工ヘッド（８）と、上記液体通路（７）より液体（Ｆ）を排出する液体排出手段（９）とを備えている。上記加工ヘッド（８）における上記液体通路の開口部（７ａ）と被加工物（２）とを接近させて、上記被加工物（２）と加工ヘッド（８）との間が液体（Ｆ）で充満されるようにし、上記液体排出手段（９）が液体通路（７）より液体（Ｆ）を排出するようになっている。液体の流れの乱れによるレーザ光の加工効率の低下を抑え、また液体の処理が容易なレーザ加工装置を提供するものである。

Description

レーザ加工装置

　本発明はレーザ加工装置に関し、詳しくは加工ヘッドの液体通路より被加工物に液体を供給するとともに、レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工装置に関する。

　従来、レーザ光の熱による被加工物の変質を防止するため、レーザ光による加工部分に液体を噴射して、被加工物の変質を防止するようにしたレーザ加工装置が知られている。
　このようなレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を被加工物に導光する導光手段と、液体を供給する液体供給手段と、上記液体供給手段の液体を流通させる液体通路の形成された加工ヘッドとを備え、上記加工ヘッドの液体通路より被加工物に液体を供給するとともに、レーザ光を被加工物に照射するようになっている（特許文献１）。

特開２０１０－５１２号公報

　しかしながら上記特許文献１のレーザ加工装置の場合、加工ヘッドから被加工物に噴射した液体が周囲の空気によって乱れたり、被加工物の上面ではねるため、レーザ光が散乱して加工効率が低下するという問題があり、また被加工物の上面に残留した液体の処理が煩雑であるという問題があった。
　このような問題に鑑み、本発明は液体の流れの乱れによるレーザ光の加工効率の低下を抑え、また液体の処理が容易なレーザ加工装置を提供するものである。

　すなわち請求項１の発明にかかるレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を被加工物に導光する導光手段と、液体を供給する液体供給手段と、上記液体供給手段の液体を流通させる液体通路の形成された加工ヘッドとを備え、
　上記加工ヘッドの液体通路より被加工物に液体を供給するとともに、レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工装置において、
　上記加工ヘッドにおける上記液体通路の開口部と被加工物とを接近させて、上記被加工物と加工ヘッドとの間が液体で充満されるようにし、
　さらに上記液体通路より液体を排出する液体排出手段を設けたことを特徴としている。

　上記発明によれば、加工ヘッドにおける液体通路の開口部と被加工物とを接近させてこれらの間を液体で充満させるため、レーザ光による加工部分の周囲において外気による液体の乱れが発生せず、また液体が被加工物の表面ではねることも無いため、レーザ光の散乱を抑えて効率的な加工を行うことができる。
　また上記加工ヘッドと被加工物との間に充満した液体は、上記液体排出手段によって排出されるため、上記液体の処理を容易に行うことが可能となっている。

本実施例にかかるレーザ加工装置の構成図。図１におけるＩＩ―ＩＩ部の断面図。

　以下、図示実施例について説明すると、図１は本実施例にかかるレーザ加工装置１の構成図を示しており、被加工物２として例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材料を切断するものとなっている。
　上記レーザ加工装置１は、被加工物２を載置する加工テーブル３と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器４と、上記レーザ光Ｌを被加工物２に導光する導光手段５と、液体Ｆを供給する液体供給手段６と、上記液体供給手段６から供給される液体Ｆを流通させる液体通路７の形成された加工ヘッド８と、上記液体通路７から液体Ｆを排出する液体排出手段９とを備えており、これらは制御手段１０によって制御されるようになっている。
　上記加工テーブル３は、上記被加工物２を下方から支持する複数の突起３ａを備えており、上記レーザ光Ｌおよび液体Ｆが被加工物２の裏面側に貫通することを許容する構成を有している。
　また加工テーブル３上の被加工物２と上記加工ヘッド８とは図示しない駆動手段によって相対的に移動可能となっており、加工ヘッド８または加工テーブル３の少なくともいずれか一方が移動できるようになっている。
　なお上記加工テーブル３については、上記突起３ａによって下方から支持するもののほか、その他従来公知のものを用いることが可能であり、被加工物２を加工テーブルに載置せず、クランプによって固定して移動させることも可能である。

　上記レーザ発振器４は、従来公知のＹＡＧレーザやグリーンレーザなどの水に吸収されにくい波長のレーザ光Ｌを照射するようになっており、またレーザ発振器４はレーザ光Ｌを連続またはパルス照射するようになっている。
　上記導光手段５は反射ミラー５ａや集光レンズ５ｂを備え、上記レーザ発振器４から照射されたレーザ光Ｌを上記加工ヘッド８に形成された上記液体通路７の内部に導光するようになっている。
　上記集光レンズ５ｂは上記加工ヘッド８の上部に装着され、その焦点は被加工物２の表面に設定されている。その際レーザ光Ｌの焦点を極力小さく設定することで、大きなエネルギーで微細な加工を行うことが可能となっている。

　上記液体供給手段６は、液体Ｆを貯溜する貯液タンク１１と、上記制御手段１０によって制御される供給ポンプ１２と、これらを接続する供給用配管１３とから構成されており、上記液体Ｆとしては異物によるレーザ光Ｌの散乱や水垢の発生等を考慮すると、純水またはイオン交換水であることが望ましい。
　上記液体排出手段９は、上記制御手段１０によって制御される排出ポンプ１４と、排出された液体Ｆを貯溜する廃液タンク１５と、上記加工ヘッド８と排出ポンプ１４との間に設けられたフィルタ１６と、これらを接続する排出用配管１７とから構成されている。
　上記フィルタ１６は、上記液体通路７から排出された液体を流通させ、その際上記レーザ光Ｌが被加工物２を加工した際に発生する溶融物等の異物を回収するようになっている。

　上記加工ヘッド８に形成された上記液体通路７は、該加工ヘッド８の中央に上下方向に向けて形成された筒状の空間によって形成され、当該空間の上端を上記集光レンズ５ｂによって液密に封止し、加工ヘッドの下端部に液体Ｆを排出する開口部７ａを形成したものとなっている。
　なお、上記液体通路７を構成する空間の上端に、集光レンズ５ｂに代えてレーザ光Ｌを透過させる透明板を配置し、集光レンズ５ｂをこの透明板よりもさらにレーザ光Ｌの入射側に配置する構成としても良い。
　また加工ヘッド８の下端部は、上記被加工物２の表面との間に所定の隙間が形成されるような高さに位置しており、被加工物２と加工ヘッド８との間は上記液体通路７の開口部７ａから排出された液体Ｆによって充満されるようになっている。
　さらに加工ヘッド８には、液体通路７におけるレーザ光Ｌの入射側に形成されて上記供給用配管１３が接続される供給口８ａと、被加工物２側に形成されて上記排出用配管１７の接続される排出口８ｂとを備えている。
　これら供給口８ａおよび排出口８ｂは、本実施例ではそれぞれ２ヶ所ずつ形成されており、上記供給口８ａから流入した液体Ｆは上記液体通路７を上方から下方、すなわちレーザ光Ｌの入射側から開口部７ａに向けて流通するようになっている。
　そして開口部７ａから排出された液体Ｆは、上述したように被加工物２と加工ヘッド８との間に形成された隙間に供給され、これらの間で充満するようになっている。

　さらに上記液体通路７は、被加工物２に向けて縮径するテーパ部７ｂと、該テーパ部７ｂよりも被加工物２側に形成された大径部７ｃとから構成され、上記テーパ部７ｂの上部に上記供給口８ａが連通し、上記大径部７ｃに上記排出口８ｂが連通している。
　上記テーパ部７ｂは図１に示すように上記集光レンズ５ｂによって集光されるレーザ光Ｌに沿って縮径するように形成され、上記レーザ光Ｌは液体通路７の内面で反射せずに上記開口部７ａを通過して被加工物２の表面に照射されるようになっている。
　ここで上記供給口８ａは、上記加工ヘッド８の対向する位置に２ヶ所形成されており、図２に示すように、各供給口８ａからは液体Ｆがレーザ光Ｌの光路に対して側方から流入し、また流入方向がレーザ光Ｌの光軸に対して偏倚するようになっている。
　このような構成とすることで、液体通路７の内部に上記レーザ光Ｌの光軸を中心に旋回する液体Ｆの旋回流を形成することが可能となっている。

　上記大径部７ｃは、上記テーパ部７ｂにおける被加工物２側の端部よりも大径に形成された略円盤状の空間となっており、その下端部は上記開口部７ａを形成するとともに、大径部７ｃの外周側上部に上記排出口８ｂが連通している。
　そして上記加工ヘッド８の下面には、上記液体通路７の開口部７ａの外側を囲繞するように形成された、同心円状の複数の溝からなるラビリンス形状８ｃが形成されている。
　上記ラビリンス形状８ｃの各溝には、上記開口部７ａから排出されて加工ヘッド８と被加工物２との間に充満した液体Ｆが収容されるようになっており、外部からの空気の巻き込みを防ぐとともに、液体Ｆの流出を抑えるものとなっている。
　上記ラビリンス形状８ｃとしては、上記形状のほか、同心状に形成された複数の多角形の溝や、各溝の形状が波型に形成されたものであっても良い。

　上記構成を有するレーザ加工装置１の動作について説明すると、まず被加工物２が加工テーブル３に載置されると、図示しない駆動手段が加工テーブル３上の被加工物２と加工ヘッド８とを所要の加工開始位置に相対移動させる。
　このとき、駆動手段により上記加工ヘッド８の下端部は上記被加工物２の表面に接近した位置まで下降し、これにより加工ヘッド８と被加工物２との間には所定の隙間が形成されるようになっている。
　この状態で、上記制御手段１０は上記液体供給手段６の供給ポンプ１２を作動させ、これにより貯液タンク１１の液体Ｆが加工ヘッド８の内部に形成された液体通路７に供給され、液体通路７を流通した液体Ｆは加工ヘッド８下端の開口部７ａより排出される。
　このとき、上記加工ヘッド８に形成された供給口８ａは、図２に示すようにレーザ光Ｌの光軸に対して偏倚した位置より液体を供給するため、液体通路７の内部で液体Ｆは上記レーザ光Ｌの光軸を中心に旋回する旋回流を形成する。
　この旋回流を形成することで、液体通路７の内部における液体Ｆの密度を一定にすることができる。

　そして液体通路７の開口部７ａより液体Ｆが排出されると、液体Ｆは被加工物２の表面に沿って広がり、その結果加工ヘッド８と被加工物２との間が液体Ｆによって充満される。
　すると、上記制御手段１０が上記液体排出手段９の排出ポンプ１４を作動させて、上記液体通路７の大径部７ｃに連通した排出口８ｂから液体Ｆを吸引しながら排出する。
　具体的には、制御手段１０は上記液体供給手段６および液体排出手段９を制御することにより、被加工物２と加工ヘッド８との間に位置する液体Ｆの外縁が液体通路７の開口部７ａから上記加工ヘッド８の端部までの間で広がるようにし、液体Ｆが加工ヘッド８から被加工物２の上面にあふれ出ないようにする。
　ここで上記液体供給手段６による液体Ｆの供給量と上記液体供給手段６による液体Ｆの排出量とは、加工前においてはほとんど同じであるが、レーザ光Ｌによる加工が始まった後には、液体Ｆがレーザ光Ｌによって蒸発したり、レーザ光Ｌによる加工部分から被加工物２の裏面側へと排出されることから、これらの消費量を鑑みて調整されるようになっている。
　また本実施例では上記開口部７ａの周囲に上記ラビリンス形状８ｃを形成し、被加工物２と加工ヘッド８との間の液体Ｆを該ラビリンス形状８ｃに収容して開口部７ａからの流出を抑えているので、液体Ｆの供給量と排出量とのバランスが良く、液体Ｆの供給量を最小にすることができる。

　このようにして上記液体通路７に液体Ｆが充満し、液体排出手段９が液体Ｆを被加工物２と加工ヘッド８との間からあふれ出ないようにすると、制御手段１０は上記レーザ発振器４を作動させてレーザ光Ｌを連続またはパルス照射させる。
　レーザ光Ｌは上記導光手段５によって導光された後上記集光レンズ５ｂによって集光され、上記液体通路７の液体Ｆを透過した後に上記被加工物２の表面に照射され、被加工物２を加工する。
　ここで、上記被加工物２は炭素繊維強化プラスチックのようなレーザ光Ｌによる熱影響を受けやすい素材となっているが、本実施例ではレーザ光Ｌによる加工部分を上記液体Ｆによって冷却しており、熱による被加工物２の変質を最小限に抑えることができる。
　また加工ヘッド８が被加工物２に接近していることから、上記液体通路７の開口部７ａから供給された液体Ｆは被加工物２の表面ではねることはなく、また加工ヘッド８と被加工物２との間には液体Ｆによって空気が侵入しないようになっているため、加工部分周辺における液体Ｆの流れに乱れが生じないようになっている。
　さらに、図２に示すように上記供給口８ａから液体Ｆを流入させて旋回流を形成していることから、液体通路７の内部における液体Ｆの密度が一定にされ、これによっても液体Ｆの流れに乱れが生じないようになっている。
　以上のように、液体Ｆの流れに乱れが生じないようにすることで、上記液体通路７の内部を透過するレーザ光Ｌが散乱せず、レーザ光Ｌの出力を効率的に利用して加工を行うことが可能となっている。

　一方、上記被加工物２にレーザ光Ｌが照射されることで、被加工物２が溶融して溶融物が発生するが、この溶融物の一部は液体Ｆとともに被加工物２の裏面より排出されず、上記被加工物２の表面側に残留する液体Ｆの内部を浮遊する場合がある。
　このような液体Ｆで浮遊する溶融物については、上記液体排出手段９が加工ヘッド８と被加工物２との間の液体Ｆとともに排出するため、当該溶融物が被加工物２の表面に付着してしまうのを防止することができる。
　このとき、本実施例の液体通路７は液体Ｆをレーザ光Ｌの入射側の供給口８ａから被加工物２側の排出口８ｂへと流通させているため、その液流によって溶融物が液体通路７をレーザ光の入射側に向けて移動することはない。
　さらに、上記液体通路７は上記大径部７ｃを備えているため、溶融物はこの大径部７ｃとテーパ部７ｂとの段差により上記テーパ部７ｂへの進入が阻止され、この大径部７ｃに連通する排出口８ｂより速やかに排出されるようになっている。
　なお溶融物は上記排出口８ｂから排出された後、上記フィルタ１６によって回収されることから、上記供給用配管１３と上記排出用配管１７との間に分岐配管を設けて、排出された液体Ｆを当該分岐配管を介して再度加工ヘッド８に還流させるようにしてもよい。

　なお、上記実施例では被加工物２をレーザ光Ｌによって貫通する加工を行っているが、被加工物２の表面に溝加工や切断加工を行うことも可能であり、溝加工の際には上記液体排出手段９による液体Ｆの排出量を上記実施例よりも若干多く設定し、切断加工の際には上記液体供給手段６による液体Ｆの供給量を上記実施例よりも若干多く設定すればよい。
　また上記液体供給手段６による液体Ｆの供給口８ａおよび液体排出手段９による液体Ｆの排出口８ｂについては、上記実施例に限らず１つであっても良いし、３つ以上の複数であっても良い。

　１　レーザ加工装置　　　　　　　　２　被加工物
　４　レーザ発振器　　　　　　　　　５　導光手段
　５ｂ　集光レンズ　　　　　　　　　６　液体供給手段
　７　液体通路　　　　　　　　　　　７ａ　開口部
　７ｂ　テーパ部　　　　　　　　　　７ｃ　大径部
　８　加工ヘッド　　　　　　　　　　８ａ　供給口
　８ｂ　排出口　　　　　　　　　　　８ｃ　ラビリンス形状
　９　液体排出手段　　　　　　　　　１０　制御手段
　１６　フィルタ　　　　　　　　　　Ｆ　液体
　Ｌ　レーザ光

Claims

　レーザ光を発振するレーザ発振器と、上記レーザ光を被加工物に導光する導光手段と、液体を供給する液体供給手段と、上記液体供給手段の液体を流通させる液体通路の形成された加工ヘッドとを備え、
　上記加工ヘッドの液体通路より被加工物に液体を供給するとともに、レーザ光を被加工物に照射するレーザ加工装置において、
　上記加工ヘッドにおける上記液体通路の開口部と被加工物とを接近させて、上記被加工物と加工ヘッドとの間が液体で充満されるようにし、
　さらに上記液体通路より液体を排出する液体排出手段を設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
　上記液体排出手段は、制御手段によって制御されて上記液体通路より液体を排出する排出ポンプを有し、
　上記制御手段は上記排出ポンプによる液体の排出量を制御して、上記液体通路の開口部と被加工物との間から液体が被加工物の上面にあふれ出ないようにすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
　上記加工ヘッドにおける上記液体通路の開口部を囲繞する位置に、上記液体を収容するラビリンス形状を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
　上記液体通路は上記レーザ光の経路に沿って筒状に形成され、
　上記液体通路におけるレーザ光の入射側に上記液体供給手段を接続し、上記被加工物側に上記液体排出手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
　上記加工ヘッドにおける液体通路に上記液体供給手段からの液体を流入させる供給口を形成し、
　上記供給口を、上記液体がレーザ光の光路に対して側方から流入し、かつ当該液体の流入方向がレーザ光の光軸に対して偏倚した位置から流入するように設け、
　液体通路の内部で上記レーザ光の光軸を中心に旋回する液体の旋回流を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
　上記導光手段はレーザ光を被加工物の表面に集光する集光レンズを備え、
　上記加工ヘッドの液体通路は、上記集光レンズによって集光されるレーザ光に沿って被加工物に向けて縮径するテーパ部と、該テーパ部よりもさらに被加工物側に形成されて該テーパ部の被加工物側の端部よりも大径に形成された大径部とを備え、
　上記液体排出手段を上記大径部に接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のレーザ加工装置。