WO2020261537A1 - レーザー加工装置 - Google Patents

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WO2020261537A1
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gas
work
nozzle
nozzle portion
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Inventor
吉田 和弘
小松 由尚
呉屋 真之
明子 井上
藤谷 泰之
竜一 成田
清水 正彦
了太 尾▲崎▼
祐樹 可児
Original Assignee
三菱重工業株式会社
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    • B23K2103/42Plastics

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus.
  • a device using laser light irradiation is used for processing to perform material cutting (for example, Patent Document 1 below).
  • a laser processing apparatus has a light source and a galvanometer mirror that reflects the laser generated by the light source.
  • the irradiation range of the laser beam can be moved. That is, by moving (scanning) the laser on the surface of the work, the thermal energy of the laser light is transmitted to the work, and the work can be cut.
  • CFRP carbon fiber reinforced resin
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus capable of further suppressing the formation of a heat-affected layer.
  • one end is opened to the end of the work and the other end is closed by performing laser machining on the work while scanning the surface of the work from the end of the work.
  • a laser irradiation unit that forms a processing groove and a nozzle unit that ejects gas over the irradiation range of the work surface by the laser irradiation unit are provided, and the nozzle unit has a flow velocity of the gas supplied to the irradiation range. , It is configured to increase from one end to the other end of the machined groove.
  • the gas supplied by the nozzle portion has a higher gas flow velocity toward the other end side of the processing groove. Further, the other end of the machined groove is closed. As a result, inside the processing groove, the pressure of the gas becomes higher on the other end side than on the one end side. As a result, inside the processing groove, the gas flows from the other end side toward one end side. By this gas flow, the plume generated by the laser machining can be pushed out from one end side of the machining groove. That is, the influence of the high heat of the plume on the work can be reduced.
  • the flow velocity of the gas supplied to the irradiation range increases from a portion where the relative distance between the nozzle portion and the work surface in the irradiation range is small toward a portion where the relative distance is large. It may be configured as follows.
  • the flow velocity of the gas increases as the relative distance between the nozzle portion and the work surface in the irradiation range increases. Therefore, the gas can be stably supplied to a position far from the nozzle in the irradiation range. As a result, the plume can be removed more positively from the machined groove. Further, according to the above configuration, it is not necessary to face the nozzle portion with respect to the irradiation range. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the laser irradiation unit and the nozzle unit.
  • the nozzle unit when the laser irradiation unit and the nozzle unit are arranged coaxially, the nozzle unit must be configured to eject gas while transmitting the laser beam, which complicates the structure and increases the cost. there's a possibility that. According to the above configuration, such a possibility can be reduced.
  • the nozzle portion is inclined toward one end side of the machined groove with respect to the extending direction of the machined groove when viewed from a direction orthogonal to the machined groove in the plane where the work surface spreads. It may be configured to eject the gas from the direction.
  • the nozzle portion ejects gas from a direction inclined with respect to the irradiation range. Therefore, it is not necessary to make the nozzle portion face the irradiation range. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the laser irradiation unit and the nozzle unit.
  • the nozzle unit when the laser irradiation unit and the nozzle unit are arranged coaxially, the nozzle unit must be configured to eject gas while transmitting the laser beam, which complicates the structure and increases the cost. there's a possibility that. According to the above configuration, such a possibility can be reduced.
  • the nozzle portion is configured to eject the gas from a position adjacent to the irradiation range in a direction orthogonal to the extending direction of the machining groove when viewed from a direction orthogonal to the work surface. You may be.
  • the nozzle portion ejects gas from a position adjacent to the irradiation range. Therefore, it is not necessary to make the nozzle portion face the irradiation range. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the laser irradiation unit and the nozzle unit.
  • the nozzle unit when the laser irradiation unit and the nozzle unit are arranged coaxially, the nozzle unit must be configured to eject gas while transmitting the laser beam, which complicates the structure and increases the cost. there's a possibility that. According to the above configuration, such a possibility can be reduced.
  • the nozzle portion may be provided at a position overlapping the laser irradiation portion when viewed from a direction orthogonal to the work surface.
  • the gas supplied from the nozzle portion and the laser light emitted from the laser irradiation portion can be directed to the work from the same direction.
  • the gas can be accurately supplied toward the irradiation range of the laser beam.
  • the plume generated in the processing groove can be removed more efficiently.
  • the laser irradiation portion is provided at a position farther from the work surface than the nozzle portion, and the nozzle portion has a transmission window portion capable of transmitting the laser light. May be good.
  • the laser can be irradiated from the same direction as the nozzle portion through the transmission window portion provided in the nozzle portion.
  • the gas can be supplied more accurately toward the irradiation range of the laser beam.
  • the nozzle portion has a gas nozzle in which a plurality of adjacent openings are formed from the one end to the other end, and the opening area of the plurality of openings is from the one end to the other end. It may be configured to become smaller and smaller as it goes toward it.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted only by configuring the opening area of the plurality of openings to become smaller from one end to the other end of the processing groove. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost.
  • the nozzle portion is provided adjacently from one end to the other end, and has a plurality of resistors that generate resistance to the flow of the gas, and the plurality of resistors are the same.
  • the resistance may be gradually reduced from one end to the other end.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted only by configuring the magnitude of the resistance due to the plurality of resistors to decrease from one end to the other end of the processing groove. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost.
  • the resistor is a perforated plate having a plurality of holes formed therein, and may be configured such that the aperture ratio of the perforated plate gradually increases from one end to the other end. ..
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted only by using an inexpensive perforated plate as the resistor. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost.
  • the resistor is a valve whose opening degree can be adjusted, and may be configured so that the opening degree of the valve increases from one end to the other end.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted by using a valve whose opening degree can be adjusted as the resistor. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost. Further, by changing the opening degree of the valve, the flow velocity distribution of the gas can be adjusted more precisely.
  • one end is opened to the end of the work and the other end is closed by performing laser machining on the work while scanning the surface of the work from the end of the work.
  • a laser irradiation unit that forms a processing groove and a nozzle unit that ejects gas over the irradiation range of the work surface by the laser irradiation unit are provided, and the nozzle unit has a flow velocity of the gas supplied to the irradiation range. , It is configured to increase from the other end to one end of the machined groove.
  • the gas supplied by the nozzle portion has a higher gas flow velocity toward one end side of the machining groove.
  • the pressure of the gas becomes higher on the one end side than on the other end side.
  • the gas flows from one end side to the other end side.
  • the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • the laser processing apparatus 100 is an apparatus for performing cutting or drilling by irradiating a work 90 made of carbon fiber reinforced resin (CFRP), resin, or metal with a laser, for example. is there.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser irradiation unit 1 and a nozzle unit 2.
  • the laser irradiation unit 1 irradiates the laser beam L toward the surface of the work 90 (work surface 90S).
  • the laser irradiation unit 1 includes a light source 11, an optical fiber F, and a galvano scanner 12.
  • the light source 11 generates fiber laser light and YAG laser light as an example.
  • a galvano scanner 12 is arranged in the traveling direction of the laser beam L.
  • the galvano scanner 12 has a galvano mirror inside.
  • the galvanometer mirror reflects the laser beam L emitted from the light source 11.
  • the galvanometer mirror can change its attitude based on a command input from an external control device (not shown). As a result, the galvanometer mirror scans the laser beam L on the work surface 90S.
  • the laser head including the galvano scanner 12 is located above the work surface 90S, and is arranged at a position farther than the distance from the gas nozzle 22 described later to the work surface 90S. Further, the gas nozzle 22 is arranged at a position that does not interfere with the path through which the laser beam L passes from the laser head to the work surface 90S.
  • the laser beam L reciprocates (scans) linearly or curvedly on the work surface 90S.
  • the laser beam L does not reciprocate and is only emitted from one side toward the other side.
  • the range in which the laser beam L is reciprocally irradiated is defined as the irradiation range Z.
  • the work 90 is machined (laser machining) within the irradiation range Z by the thermal energy of the laser beam L. By this cutting process, a processing groove 91 is formed in the work 90. As shown in FIG.
  • the machined groove 91 has one end (end t1) opened to the end of the work 90, the other end (end t2), and the bottom surface (groove bottom surface 91B shown in FIG. 4). ) Is blocked. That is, the cutting process proceeds from the end portion t1 side, which is the end surface of the work 90, toward the end portion t2 side as the groove portion.
  • the nozzle portion 2 is provided to eject a gas (air as an example) toward the above-mentioned irradiation range Z.
  • the nozzle portion 2 has a compressor 21 and a gas nozzle 22.
  • the compressor 21 compresses the air taken in from the outside to generate high-pressure air.
  • This high-pressure air is supplied as a jet A to the irradiation range Z on the work surface 90S through the gas nozzle 22.
  • nitrogen, a rare gas, or the like can be preferably used as the gas.
  • the gas nozzle 22 is arranged diagonally upward with respect to the work surface 90S. More specifically, the gas nozzle 22 is configured to eject air in a direction including a component in the direction along the processing groove 91 and a component in the direction orthogonal to the work surface 90S. In other words, the gas nozzle 22 is located on one end side (end t1 side) of the machined groove 91 with respect to the extending direction of the machined groove 91 when viewed from the direction orthogonal to the machined groove 91 in the plane where the work surface 90S spreads. It is configured to eject air from the direction of inclination.
  • the gas nozzle 22 has a plurality of openings 30 as flow paths through which high-pressure air flows.
  • three openings 30 (first opening 31, second opening 32, third opening 33) are formed.
  • the number of openings 30 may be four or more.
  • the first opening 31, the second opening 32, and the third opening 33 are arranged in the extending direction of the above-mentioned processing groove 91 (direction from the end portion t1 to the end portion t2).
  • the first opening 31 has a larger opening area (flow path cross-sectional area) than the second opening 32.
  • the second opening 32 has a larger opening area (flow path cross-sectional area) than the third opening 33. Therefore, the flow velocity of the ejected air increases from the first opening 31 toward the third opening 33.
  • the cross-sectional shape of the opening 30 can be appropriately set according to the design and specifications such as a rectangle, a polygon, and a circle.
  • the jet A (jet A3) supplied to the other end side (end t2 side) of the processing groove 91 is one end side (end t1 side) of the jet A3. It has a higher flow velocity than the jets A1 and A2.
  • the flow velocity of the jet A increases from the portion where the relative distance to the nozzle portion 2 in the irradiation range Z is small to the portion where the relative distance is large.
  • the length of the arrow indicating the jet A in FIG. 1 schematically indicates the magnitude of the flow velocity of each jet A. That is, the longer the arrow, the higher the flow velocity of the jet A.
  • the laser beam L is sent to the galvano scanner 12 through the light source 11 and the optical fiber F described above.
  • the compressor 21 is driven to eject high-pressure air from the gas nozzle 22.
  • the laser beam L is irradiated to the irradiation range Z on the work surface 90S via the galvano scanner 12.
  • a processing groove 91 is formed in the work 90 by irradiation with the laser beam L. Specifically, laser machining is performed from the end t1 side of the work 90 toward the end t2 side. The depth of the processing groove 91 is gradually increased by repeating the scanning of the laser beam L.
  • the plume generated in the irradiation range Z is removed by the high-pressure air supplied from the nozzle portion 2 described above.
  • the flow velocity of the jet A supplied from the nozzle portion 2 increases from the end portion t1 side to the end portion t2 side.
  • the pressure due to the jet flow A increases toward the end t2 side.
  • a flow from the high pressure side to the low pressure side is formed. Specifically, it flows from the end t2 side of the processing groove 91 to the end t1 side.
  • the plume generated in the machined groove 91 is discharged from the end t1 side of the machined groove 91. Therefore, the formation of the heat-affected layer due to the plume is suppressed on the inner wall surface of the processing groove 91.
  • the gas supplied by the nozzle portion 2 has a higher flow velocity toward the other end side (end portion t2 side) of the processing groove 91. Further, the other end of the processing groove 91 is closed. As a result, inside the processing groove 91, the gas pressure becomes higher on the other end side than on one end side (end portion t1 side). As a result, inside the processing groove 91, the gas (jet A) flows from the other end side toward one end side. By this gas flow, the plume generated by the laser machining can be pushed out from one end side of the machining groove 91. That is, the influence of the high heat of the plume on the work 90 (that is, the formation of the heat influence layer) can be suppressed.
  • the flow velocity of the gas increases as the relative distance to the nozzle portion 2 in the irradiation range Z increases. Further, the nozzle portion 2 ejects gas from a direction inclined with respect to the irradiation range Z. Therefore, the gas can be stably supplied to a position far from the nozzle portion 2 in the irradiation range Z. As a result, the plume can be more positively removed from the machined groove 91. Further, according to the above configuration, it is not necessary to make the nozzle portion 2 face the irradiation range Z. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the laser irradiation unit 1 and the nozzle unit 2.
  • the nozzle unit 2 needs to be configured to eject gas while transmitting the laser, which complicates the structure and costs. May rise. According to the above configuration, such a possibility can be reduced.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted only by configuring the opening areas of the plurality of openings 30 to become smaller from one end to the other end of the processing groove 91. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost.
  • the first embodiment of the present invention has been described above. It should be noted that various changes and modifications can be made to the above configuration as long as the gist of the present invention is not deviated.
  • the configuration in which the flow velocity is changed between the plurality of openings 30 by changing the opening area of the openings 30 in the gas nozzle 22 has been described.
  • the gas nozzle 22 can also be configured as shown in FIGS. 5 and 6.
  • the opening areas of the openings 30 are the same as each other, and a perforated plate as a resistor 40 is provided in each opening 30.
  • the perforated plate is a plate material in which a plurality of holes are formed.
  • the aperture ratio of these resistors 40 gradually increases from the end t1 side to the end t2 side.
  • the larger the resistor 40 on the end t2 side the larger the number of holes. That is, the plurality of resistors 40 are configured so that the resistance to the gas flow gradually decreases from the end t1 side toward the end t2. Therefore, the jet A2 passing through the second resistor 42 has a larger flow velocity than the jet A1 passing through the first resistor 41. Similarly, the jet A3 passing through the third resistor 43 has a higher flow velocity than the jet A2 passing through the second resistor 42.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted only by using an inexpensive perforated plate as the resistor 40.
  • the plume can be removed more easily and at a lower cost.
  • a wire mesh as the resistor 40 instead of the above-mentioned perforated plate. In this case, it is possible to adjust the magnitude of the resistance by changing the diameter and the number of wires constituting the wire mesh.
  • a valve V whose opening degree can be adjusted is used as the resistor 40.
  • the third valve V3 on the end t2 side has a larger opening than the adjacent second valve V2.
  • the opening degree of the second valve V2 is larger than that of the first valve V1 on the end portion t1 side. That is, it is configured so that the opening degree of the valve V increases toward the end t2 side. As a result, the closer the valve V is on the end t2 side, the smaller the resistance to gas flow.
  • the flow velocity of the gas can be easily adjusted by using the valve V whose opening degree can be adjusted as the resistor 40. Thereby, the plume can be removed more easily and at a lower cost. Further, by changing the opening degree of the valve V, the flow velocity distribution of the gas can be adjusted more precisely.
  • the configuration in which the flow velocity of the jet A gradually increases from the end t1 side to the end t2 side has been described.
  • FIGS. 8 and 9 the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the relative positions of the gas nozzle 22B and the laser irradiation unit 1 are different from those in the first embodiment.
  • the gas nozzle 22B is provided at a position adjacent to the irradiation range Z in a direction orthogonal to the extending direction of the processing groove 91 when viewed from a direction orthogonal to the work surface 90S.
  • the gas nozzle 22B and the irradiation range Z do not overlap each other.
  • the gas nozzle 22B supplies jet A toward the work surface 90S (irradiation range Z).
  • the flow velocity of the jet A is set so as to gradually increase from the end t1 side to the end t2 side of the processing groove 91.
  • any one of the above-described first embodiment and the configuration described in the modified example can be applied.
  • the nozzle portion 2 (gas nozzle 22B) ejects gas from a position adjacent to the irradiation range Z in a plan view. Therefore, it is not necessary to make the nozzle portion 2 face the irradiation range Z. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the laser irradiation unit 1 and the nozzle unit 2.
  • the nozzle unit 2 needs to be configured to eject gas while transmitting the laser beam L, which complicates the structure. , The cost may increase. According to the above configuration, such a possibility can be reduced.
  • FIGS. 10 and 11 the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
  • the same components as those of the above embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the illustration of the compressor 21 described in each of the above embodiments is omitted.
  • the configuration of the gas nozzle 22C is different from each of the above embodiments. Specifically, the gas nozzle 22C is provided at a position overlapping the laser irradiation unit 1 when viewed from a direction orthogonal to the work surface 90S.
  • the laser irradiation unit 1 is provided at a position separated from the work surface 90S by the gas nozzle 22C (nozzle unit 2).
  • the gas nozzle 22C has a pair of nozzle walls 61, 61 facing each other at intervals in the horizontal direction, and a transmission window portion 60 covering above the nozzle walls 61, 61.
  • a nozzle hole 70 is formed in each nozzle wall 61 to guide high-pressure air led from a compressor (not shown) to the work surface 90S as a jet A.
  • the laser light L emitted from the laser irradiation unit 1 passes through the transmission window unit 60 and heads on the work surface 90S. That is, the transmission window portion 60 is formed of glass or resin capable of transmitting the laser beam L.
  • the gas supplied from the nozzle unit 2 and the laser light L emitted from the laser irradiation unit 1 can be directed toward the work 90 from the same direction.
  • the gas (jet A) can be accurately supplied toward the irradiation range Z of the laser beam L.
  • the plume generated in the processing groove 91 can be removed more efficiently.
  • the laser beam L can be irradiated from the same direction as the gas nozzle 22C through the transmission window portion 60 provided in the nozzle portion 2 (gas nozzle 22C).
  • the gas (jet A) can be more accurately supplied toward the irradiation range Z of the laser beam L.
  • the formation of a heat-affected layer on the work 90 can be further suppressed.
  • Laser processing device 1 Laser irradiation unit 2 Nozzle unit 11 Light source 12 Galvano scanner 21 Compressor 22, 22B, 22C Gas nozzle 40 Resistor 41 First resistor 42 Second resistor 43 Third resistor 60 Transmission window 61 Nozzle wall 70 Nozzle hole 90 Work 90S Work surface 91 Machining groove 91B Groove bottom surface 91W Groove end surface A, A1, A2, A3 Jet L Laser t1, t2 End V valve V1 First valve V2 Second valve V3 Third valve

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Abstract

レーザー加工装置(100)は、ワーク(90)の端部からワーク表面(90S)を走査しながら該ワーク(90)にレーザー加工を施すことで、一端(t1)がワーク(90)の端部に開口するとともに他端が閉塞された加工溝(91)を形成するレーザー照射部(1)と、レーザー照射部(1)によるワーク表面(91)の照射範囲(Z)にわたって気体を噴出するノズル部(2)と、を備え、ノズル部(2)は、照射範囲(Z)に供給される気体の流速が、加工溝(91)の一端(t1)から他端(t2)に向かうに従って大きくなるように構成されている。

Description

レーザー加工装置
 本発明は、レーザー加工装置に関する。
 材料切削を行う加工には、一例として、レーザー光の照射を用いた装置が用いられる(例えば、下記特許文献1)。このようなレーザー加工装置は、光源と、光源が生成したレーザーを反射するガルバノミラーを有している。ガルバノミラーの姿勢を変化させることで、レーザー光の照射範囲を移動させることができる。つまり、ワークの表面でレーザーを移動させる(走査する)ことによって、レーザー光の熱エネルギーがワークに伝達され、当該ワークに切削加工を施すことができる。
 また、ワークが炭素繊維強化樹脂(CFRP)である場合、上記のようなレーザー加工を行う際には、プルームが発生することが知られている。プルームが発生すると、ワークの切断面(加工溝)がプルームの高温に曝されて変性し、樹脂成分が脱落したり、炭化したりすることで、この熱影響層が形成される。CFRPを製品に適用する場合、熱影響層は除去することが一般的である。
特開2011-36865号公報
 しかしながら、従来のレーザー加工装置では、発生したプルームによって、製品の加工精度の低下や、熱影響層をワークから除去するための工数の増加が課題となっていた。
 本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、熱影響層の形成をより一層抑えることが可能なレーザー加工装置を提供することを目的とする。
 本発明の一態様に係るレーザー加工装置は、ワークの端部からワーク表面を走査しながら該ワークにレーザー加工を施すことで、一端が前記ワークの端部に開口するとともに他端が閉塞された加工溝を形成するレーザー照射部と、前記レーザー照射部による前記ワーク表面の照射範囲にわたって気体を噴出するノズル部と、を備え、前記ノズル部は、前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記加工溝の一端から他端に向かうに従って大きくなるように構成されている。
 上記構成によれば、ノズル部によって供給された気体は、加工溝の他端側になるほど、気体の流速が大きい。さらに、加工溝の他端は閉塞されている。これにより、加工溝の内部では、一端側よりも他端側で気体の圧力が高くなる。その結果、加工溝の内部では、気体は他端側から一端側に向かって流れる。この気体の流れによって、レーザー加工に伴って発生したプルームを、加工溝の一端側から外部に押し出すことができる。即ち、プルームの高熱によるワークへの影響を低減することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記照射範囲における前記ノズル部と前記ワーク表面との相対距離が小さい部分から該相対距離が大きい部分に向かうに従って、大きくなるように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、照射範囲におけるノズル部と前記ワーク表面との相対距離が大きくなるに従って、気体の流速が大きくなる。したがって、照射範囲におけるノズルから遠い位置にも、気体を安定的に供給することができる。その結果、加工溝からプルームをより積極的に除去することができる。さらに、上記構成によれば、照射範囲に対してノズル部を正対させる必要がない。これにより、レーザー照射部とノズル部との配置の自由度を高めることができる。一方で、レーザー照射部とノズル部とを同軸上に配置した場合、ノズル部を、レーザー光を透過させつつ、気体を噴出させるように構成する必要があるため、構造が複雑となり、コストが上昇する可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記ノズル部は、前記ワーク表面が広がる面内における前記加工溝に直交する方向から見て、前記加工溝の延びる方向に対して、前記加工溝の前記一端側に傾斜する方向から前記気体を噴出ように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、ノズル部は、照射範囲に対して傾斜する方向から気体を噴出する。したがって、照射範囲に対してノズル部を正対させる必要がない。これにより、レーザー照射部とノズル部との配置の自由度を高めることができる。一方で、レーザー照射部とノズル部とを同軸上に配置した場合、ノズル部を、レーザー光を透過させつつ、気体を噴出させるように構成する必要があるため、構造が複雑となり、コストが上昇する可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記ノズル部は、前記ワーク表面に直交する方向から見て、前記加工溝の延びる方向に直交する方向において前記照射範囲に隣接する位置から前記気体を噴出するように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、ノズル部は、照射範囲に対して隣接する位置から気体を噴出する。したがって、照射範囲に対してノズル部を正対させる必要がない。これにより、レーザー照射部とノズル部との配置の自由度を高めることができる。一方で、レーザー照射部とノズル部とを同軸上に配置した場合、ノズル部を、レーザー光を透過させつつ、気体を噴出させるように構成する必要があるため、構造が複雑となり、コストが上昇する可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記ノズル部は、前記ワーク表面に直交する方向から見て、前記レーザー照射部と重複する位置に設けられていてもよい。
 上記構成によれば、ノズル部から供給される気体と、レーザー照射部から照射されるレーザー光とを互いに同一の方向からワークに向かわせることができる。その結果、レーザー光の照射範囲に向かって気体を正確に供給することができる。これにより、加工溝内で生じるプルームをより効率的に除去することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記レーザー照射部は、前記ノズル部よりも前記ワーク表面から離間した位置に設けられ、前記ノズル部は、前記レーザー光を透過させることが可能な透過窓部を有してもよい。
 上記構成によれば、ノズル部に設けられた透過窓部を通じて、当該ノズル部と同一の方向からレーザーを照射することができる。その結果、レーザー光の照射範囲に向かって気体をさらに正確に供給することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記ノズル部は、前記一端から前記他端にかけて隣接する複数の開口部が形成されたガスノズルを有し、前記複数の開口部の開口面積は、前記一端から前記他端に向かうに従って次第に小さくなるように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、複数の開口部の開口面積を、加工溝の一端から他端に向かうに従って小さくなるように構成することのみによって、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記ノズル部は、前記一端から前記他端にかけて隣接して設けられ、前記気体の流れに対して抵抗を生じる複数の抵抗体を有し、前記複数の抵抗体は、前記一端から前記他端に向かうに従って前記抵抗が次第に小さくなるように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、複数の抵抗体による抵抗の大きさを、加工溝の一端から他端に向かうに従って小さくなるように構成することのみによって、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記抵抗体は、複数の孔が形成された多孔板であり、前記一端から前記他端に向かうに従って該多孔板の開口率が次第に大きくなるように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、抵抗体として安価な多孔板を用いることのみによって、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。
 上記レーザー加工装置では、前記抵抗体は、開度を調節することが可能な弁であり、前記一端から前記他端に向かうに従って前記弁の開度が大きくなるように構成されていてもよい。
 上記構成によれば、抵抗体として、開度を調節することが可能な弁を用いることで、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。さらに、弁の開度を変化させることで、気体の流速分布をより精緻に調節することもできる。
 本発明の一態様に係るレーザー加工装置は、ワークの端部からワーク表面を走査しながら該ワークにレーザー加工を施すことで、一端が前記ワークの端部に開口するとともに他端が閉塞された加工溝を形成するレーザー照射部と、前記レーザー照射部による前記ワーク表面の照射範囲にわたって気体を噴出するノズル部と、を備え、前記ノズル部は、前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記加工溝の他端から一端に向かうに従って大きくなるように構成されている。
 上記構成によれば、ノズル部によって供給された気体は、加工溝の一端側になるほど、気体の流速が大きい。これにより、加工溝の内部では、他端側よりも一端側で気体の圧力が高くなる。その結果、加工溝の内部では、気体は一端側から他端側に向かって流れる。この気体の流れによって、レーザー加工に伴って発生したプルームを、加工溝の他端側から外部に押し出すことができる。即ち、プルームの高熱によるワークへの影響を低減することができる。
 本発明によれば、熱影響層の形成をより一層抑えることが可能なレーザー加工装置を提供することができる。
本発明の第一実施形態に係るレーザー加工装置の構成を示す側面図である。 本発明の第一実施形態に係るワークの平面図である。 本発明の第一実施形態に係るガスノズルの構成を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るワークの拡大断面図であって、加工溝の内部を流通する気体の挙動を示す説明図である。 本発明の第一実施形態に係るガスノズルの変形例を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るガスノズルのさらなる変形例を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係るレーザー加工装置の変形例を示す側面図である。 本発明の第二実施形態に係るレーザー加工装置の構成を示す側面図である。 本発明の第二実施形態に係るレーザー加工装置の構成を示す平面図である。 本発明の第三実施形態に係るレーザー加工装置の構成を示す側面図である。 図10におけるX方向からガスノズルを見た断面図である。
[第一実施形態]
 本発明の第一実施形態について、図1から図3を参照して説明する。本実施形態に係るレーザー加工装置100は、例えば炭素繊維強化樹脂(CFRP)や、樹脂、金属で形成されたワーク90に対してレーザーを照射することで切削加工や穴あけ加工を施すための装置である。図1に示すように、レーザー加工装置100は、レーザー照射部1と、ノズル部2と、を備えている。
 レーザー照射部1は、ワーク90の表面(ワーク表面90S)に向かってレーザー光Lを照射する。レーザー照射部1は、光源11と、光ファイバーFと、ガルバノスキャナ12と、を有している。光源11は、一例としてファイバーレーザー光、YAGレーザー光を発生させる。レーザー光Lの進行方向には、ガルバノスキャナ12が配置されている。詳しくは図示しないが、ガルバノスキャナ12は、内部にガルバノミラーを有している。ガルバノミラーは、光源11から照射されたレーザー光Lを反射する。ガルバノミラーは、外部の制御装置(不図示)から入力された指令に基づいて姿勢を変化させることが可能である。これにより、ガルバノミラーは、ワーク表面90S上でレーザー光Lをスキャンする。ガルバノスキャナ12を含むレーザヘッドはワーク表面90Sの上方にあり、後述するガスノズル22からワーク表面90Sまでの距離よりも遠い位置に配置されている。また、レーザヘッドからワーク表面90Sまでのレーザー光Lが通過する経路に干渉しない位置にガスノズル22が配置される。
 本実施形態では、図1中の矢印Sで示すように、レーザー光Lは、ワーク表面90S上で、直線状、又は曲線状に往復する(走査する)。なお、レーザー光Lが往復せず、一方から他方に向かって照射されるのみの場合もある。このようにレーザー光Lが往復して照射される範囲は、照射範囲Zとされている。レーザー光Lの熱エネルギーにより、照射範囲Z内でワーク90に対して切削加工(レーザー加工)が施される。この切削加工によって、ワーク90には加工溝91が形成される。図1又は図2に示すように、この加工溝91は、一端(端部t1)がワーク90の端部に開口し、他端(端部t2)、及び底面(図4に示す溝底面91B)が閉塞されている。つまり、ワーク90の端面である端部t1側から、開先部としての端部t2側に向かって切削加工が進められる。
 ノズル部2は、上述の照射範囲Zに向けて、気体(一例として空気)を噴出するために設けられている。ノズル部2は、コンプレッサ21と、ガスノズル22と、を有している。コンプレッサ21は、外部から取り込んだ空気を圧縮して高圧空気を生成する。この高圧空気は、ガスノズル22を通じて、ワーク表面90S上の照射範囲Zに噴流Aとして供給される。なお、上記の気体としては、空気のほか、窒素や希ガス等を好適に用いることができる。
 本実施形態では、ガスノズル22は、ワーク表面90Sに対して斜め上方に配置されている。より詳細には、ガスノズル22は、加工溝91に沿う方向の成分と、ワーク表面90Sに直交する方向の成分とを含む方向に空気を噴出するように構成されている。さらに言い換えれば、ガスノズル22は、ワーク表面90Sが広がる面内における加工溝91に直交する方向から見て、加工溝91の延びる方向に対して、加工溝91の一端側(端部t1側)に傾斜する方向から空気を噴出するように構成されている。
 図3に示すように、ガスノズル22は、高圧空気が流通する流路としての複数の開口部30を有している。図3の例では、3つの開口部30(第一開口部31、第二開口部32、第三開口部33)が形成されている。なお、開口部30の個数は、4つ以上であってもよい。第一開口部31、第二開口部32、及び第三開口部33は、上述の加工溝91の延びる方向(端部t1から端部t2に向かう方向)に配列されている。第一開口部31は、第二開口部32よりも大きな開口面積(流路断面積)を有している。第二開口部32は、第三開口部33よりも大きな開口面積(流路断面積)を有している。したがって、第一開口部31から第三開口部33に向かうに従って、噴出される空気の流速が大きくなっている。なお、開口部30の断面形状は、矩形や多角形、円形など設計や仕様に応じて適宜設定することが可能である。
 上記の構成により、図1に示すように、加工溝91の他端側(端部t2側)に供給される噴流A(噴流A3)は、当該噴流A3よりも一端側(端部t1側)の噴流A1,A2よりも大きな流速を有している。言い換えれば、照射範囲Zにおけるノズル部2との相対距離が小さい部分から大きい部分に向かうに従って、噴流Aの流速が大きくなる。なお、図1中の噴流Aを示す矢印の長さは、それぞれの噴流Aの流速の大きさを模式的に示している。即ち、矢印が長いほど、噴流Aの流速が大きいことを示している。
 続いて、本実施形態に係るレーザー加工装置100の動作について説明する。レーザー加工装置100を稼動させるに当たっては、上記の光源11、及び光ファイバーFを通じてレーザー光Lをガルバノスキャナ12に送る。同時に、コンプレッサ21を駆動してガスノズル22から高圧空気を噴出させる。レーザー光Lは、ガルバノスキャナ12を介してワーク表面90S上の照射範囲Zに照射される。レーザー光Lの照射によって、ワーク90には加工溝91が形成される。具体的には、ワーク90の端部t1側から端部t2側に向かってレーザー加工が施される。なお、この加工溝91の深さは、レーザー光Lの走査を繰り返すことによって、徐々に大きくなる。
 ここで、CFRPで形成されているワーク90に対して上記のようなレーザー加工を施す際には、レーザー光Lの熱エネルギーによってワーク90の一部が焼けたり、溶融したりすることで、プルームが発生する。プルームが発生すると、ワークの切断面(加工溝91)がプルームの高温に曝されて変性し、熱影響層が当該切断面に形成されることがある。CFRPにレーザー加工を行う際には、樹脂成分が脱落したり、炭化したりすることで、この熱影響層が形成される。熱影響層は、製品の品質を確保する上で不要である。したがって、この熱影響層の形成を抑制するための技術が望まれていた。
 そこで、本実施形態に係るレーザー加工装置100では、上述のノズル部2から供給される高圧空気によって、照射範囲Zで生じたプルームを除去する。上述したように、ノズル部2から供給される噴流Aは、端部t1側から端部t2側に向かうに従って流速が大きくなっている。これにより、加工溝91内では、端部t2側になるに従って、噴流Aによる圧力が高くなる。その結果、図4に示すように、高圧側から低圧側に向かう流れが形成される。具体的には加工溝91の端部t2側から端部t1側に流れる。この流れによって、加工溝91の端部t1側から、当該加工溝91内で生じたプルームが排出される。したがって、加工溝91の内壁面上では、プルームに起因する熱影響層の形成が抑制される。
 以上、説明したように、上記構成によれば、ノズル部2によって供給された気体は、加工溝91の他端側(端部t2側)になるほど流速が大きい。さらに、加工溝91の他端は閉塞されている。これにより、加工溝91の内部では、一端側(端部t1側)よりも他端側で気体の圧力が高くなる。その結果、加工溝91の内部では、気体(噴流A)は他端側から一端側に向かって流れる。この気体の流れによって、レーザー加工に伴って発生したプルームを、加工溝91の一端側から外部に押し出すことができる。即ち、プルームの高熱によるワーク90への影響(即ち、熱影響層の形成)を抑制することができる。
 さらに、上記構成によれば、照射範囲Zにおけるノズル部2との相対距離が大きくなるに従って、気体の流速が大きくなる。また、ノズル部2は、照射範囲Zに対して傾斜する方向から気体を噴出する。したがって、照射範囲Zにおけるノズル部2から遠い位置にも、気体を安定的に供給することができる。その結果、加工溝91からプルームをより積極的に除去することができる。さらに、上記構成によれば、照射範囲Zに対してノズル部2を正対させる必要がない。これにより、レーザー照射部1とノズル部2との配置の自由度を高めることができる。一方で、レーザー照射部1とノズル部2とを同軸上に配置した場合、ノズル部2を、レーザーを透過させつつ、気体を噴出させるように構成する必要があるため、構造が複雑となり、コストが上昇する可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
 上記構成によれば、複数の開口部30の開口面積を、加工溝91の一端から他端に向かうに従って小さくなるように構成することのみによって、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。
 以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、ガスノズル22における開口部30の開口面積を違えることで、複数の開口部30同士の間で流速を変化させる構成について説明した。しかしながら、ガスノズル22を図5、及び図6に示すように構成することも可能である。図5の例では、各開口部30の開口面積は互いに同一であるとともに、各開口部30内に、それぞれ抵抗体40としての多孔板が設けられている。多孔板は、複数の孔が形成された板材である。これら抵抗体40は、端部t1側から端部t2側に向かうに従って、開口率が次第に大きくなっている。言い換えれば、端部t2側の抵抗体40になるほど、孔の数が多い。即ち、複数の抵抗体40は、端部t1側から端部t2に向かうに従って、気体の流れに対する抵抗が次第に小さくなるように構成されている。したがって、第二抵抗体42を通過する噴流A2は、第一抵抗体41を通過する噴流A1よりも大きな流速を有している。同様に、第三抵抗体43を通過する噴流A3は、第二抵抗体42を通過する噴流A2よりも大きな流速を有している。
 上記構成によれば、抵抗体40として安価な多孔板を用いることのみによって、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。なお、抵抗体40として、上記の多孔板に代えて、金網を用いることも可能である。この場合、金網を構成する線材の径と本数を変えることによって抵抗の大きさを調節することが可能である。
 図6の例では、抵抗体40として、開度を調節することが可能な弁Vが用いられている。端部t2側の第三弁V3は、隣接する第二弁V2よりも開度が大きい。第二弁V2は、端部t1側の第一弁V1よりも開度が大きい。即ち、端部t2側に向かうに従って弁Vの開度が大きくなるように構成されている。これにより、端部t2側の弁Vになるほど、気体の流れに対する抵抗が小さくなる。
 上記構成によれば、抵抗体40として、開度を調節することが可能な弁Vを用いることで、気体の流速を容易に調節することができる。これにより、より容易かつ低コストのもとで、プルームの除去を実現することができる。さらに、弁Vの開度を変化させることで、気体の流速分布をより精緻に調節することもできる。
 さらに、上記第一実施形態では、端部t1側から端部t2側に向かうに従って、噴流Aの流速が次第に大きくなる構成について説明した。しかしながら、図7に示すように、端部t2側から端部t1側に向かうに従って噴流A´(A1´,A2´,A3´)の流速が大きくなるようにガスノズル22を構成することも可能である。このような構成によっても上記第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
[第二実施形態]
 続いて、本発明の第二実施形態について、図8と図9を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。これら図8、及び図9に示すように、本実施形態では、ガスノズル22Bとレーザー照射部1との相対位置が第一実施形態とは異なっている。ガスノズル22Bは、ワーク表面90Sに直交する方向から見て、加工溝91の延びる方向に直交する方向において、照射範囲Zに隣接する位置に設けられている。つまり、平面視で、ガスノズル22Bと照射範囲Zとは互いに重複していない。ガスノズル22Bは、ワーク表面90S(照射範囲Z)に向かって噴流Aを供給する。噴流Aの流速は、加工溝91の端部t1側から端部t2側に向かうに従って次第に大きくなるように設定されている。噴流Aの流速を違えるに当たっては、上記第一実施形態、及びその変形例で説明した構成のいずれかを適用することができる。
 上記構成によれば、ノズル部2(ガスノズル22B)は、平面視で照射範囲Zに対して隣接する位置から気体を噴出する。したがって、照射範囲Zに対してノズル部2を正対させる必要がない。これにより、レーザー照射部1とノズル部2との配置の自由度を高めることができる。一方で、レーザー照射部1とノズル部2とを同軸上に配置した場合、ノズル部2を、レーザー光Lを透過させつつ、気体を噴出させるように構成する必要があるため、構造が複雑となり、コストが上昇する可能性がある。上記の構成によれば、このような可能性を低減することができる。
 以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
[第三実施形態]
 次に、本発明の第三実施形態について、図10と図11を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、図10、及び図11では、上記の各実施形態で説明したコンプレッサ21の図示が省略されている。図10、及び図11に示すように、本実施形態では、ガスノズル22Cの構成が上記の各実施形態とは異なっている。具体的には、このガスノズル22Cは、ワーク表面90Sに直交する方向から見て、レーザー照射部1と重複する位置に設けられている。さらに、レーザー照射部1は、ガスノズル22C(ノズル部2)よりもワーク表面90Sから離間した位置に設けられている。ガスノズル22Cは、水平方向に間隔をあけて互いに対向する一対のノズル壁体61,61と、これらノズル壁体61,61の上方を覆う透過窓部60と、を有している。各ノズル壁体61には、コンプレッサ(不図示)から導かれた高圧空気を噴流Aとしてワーク表面90Sに導くノズル孔70が形成されている。レーザー照射部1から照射されたレーザー光Lは、透過窓部60を透過して、ワーク表面90S上に向かう。即ち、透過窓部60は、レーザー光Lを透過させることが可能なガラスや樹脂によって形成されている。
 上記構成によれば、ノズル部2から供給される気体と、レーザー照射部1から照射されるレーザー光Lとを互いに同一の方向からワーク90に向かわせることができる。その結果、レーザー光Lの照射範囲Zに向かって気体(噴流A)を正確に供給することができる。これにより、加工溝91内で生じるプルームをより効率的に除去することができる。
 さらに、上記構成によれば、ノズル部2(ガスノズル22C)に設けられた透過窓部60を通じて、当該ガスノズル22Cと同一の方向からレーザー光Lを照射することができる。その結果、レーザー光Lの照射範囲Zに向かって気体(噴流A)をさらに正確に供給することができる。
 以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。
 上記のレーザー加工装置100によれば、ワーク90における熱影響層の形成をより一層抑えることができる。
100 レーザー加工装置
1 レーザー照射部
2 ノズル部
11 光源
12 ガルバノスキャナ
21 コンプレッサ
22,22B,22C ガスノズル
40 抵抗体
41 第一抵抗体
42 第二抵抗体
43 第三抵抗体
60 透過窓部
61 ノズル壁体
70 ノズル孔
90 ワーク
90S ワーク表面
91 加工溝
91B 溝底面
91W 溝端面
A,A1,A2,A3 噴流
L レーザー
t1,t2 端部
V 弁
V1 第一弁
V2 第二弁
V3 第三弁

Claims (11)

  1.  ワークの端部からワーク表面を走査しながら該ワークにレーザー加工を施すことで、一端が前記ワークの端部に開口するとともに他端が閉塞された加工溝を形成するレーザー照射部と、
     前記レーザー照射部による前記ワーク表面の照射範囲にわたって気体を噴出するノズル部と、
     を備え、
     前記ノズル部は、前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記加工溝の一端から他端に向かうに従って大きくなるように構成されているレーザー加工装置。
  2.  前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記照射範囲における前記ノズル部と前記ワーク表面との相対距離が小さい部分から該相対距離が大きい部分に向かうに従って、大きくなるように構成されている請求項1に記載のレーザー加工装置。
  3.  前記ノズル部は、前記ワーク表面が広がる面内における前記加工溝に直交する方向から見て、前記加工溝の延びる方向に対して、前記加工溝の前記一端側に傾斜する方向から前記気体を噴出するように構成されている請求項1又は2に記載のレーザー加工装置。
  4.  前記ノズル部は、前記ワーク表面に直交する方向から見て、前記加工溝の延びる方向に直交する方向において前記照射範囲に隣接する位置から前記気体を噴出するように構成されている請求項1に記載のレーザー加工装置。
  5.  前記ノズル部は、前記ワーク表面に直交する方向から見て、前記レーザー照射部と重複する位置に設けられている請求項1に記載のレーザー加工装置。
  6.  前記レーザー照射部は、前記ノズル部よりも前記ワーク表面から離間した位置に設けられ、
     前記ノズル部は、前記レーザーを透過させることが可能な透過窓部を有する請求項5に記載のレーザー加工装置。
  7.  前記ノズル部は、前記一端から前記他端にかけて隣接する複数の開口部が形成されたガスノズルを有し、
     前記複数の開口部の開口面積は、前記一端から前記他端に向かうに従って次第に小さくなるように構成されている請求項1から6のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
  8.  前記ノズル部は、前記一端から前記他端にかけて隣接して設けられ、前記気体の流れに対して抵抗を生じる複数の抵抗体を有し、
     前記複数の抵抗体は、前記一端から前記他端に向かうに従って前記抵抗が次第に小さくなるように構成されている請求項1から6のいずれか一項に記載のレーザー加工装置。
  9.  前記抵抗体は、複数の孔が形成された多孔板であり、前記一端から前記他端に向かうに従って前記多孔板の開口率が次第に大きくなるように構成されている請求項8に記載のレーザー加工装置。
  10.  前記抵抗体は、開度を調節することが可能な弁であり、前記一端から前記他端に向かうに従って前記弁の開度が大きくなるように構成されている請求項8に記載のレーザー加工装置。
  11.  ワークの端部からワーク表面を走査しながら該ワークにレーザー加工を施すことで、一端が前記ワークの端部に開口するとともに他端が閉塞された加工溝を形成するレーザー照射部と、
     前記レーザー照射部による前記ワーク表面の照射範囲にわたって気体を噴出するノズル部と、
     を備え、
     前記ノズル部は、前記照射範囲に供給される前記気体の流速が、前記加工溝の他端から一端に向かうに従って大きくなるように構成されているレーザー加工装置。
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