JP7632345B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工物に対してアシストガスを噴射してデブリの排出や加工部の冷却を行うレーザ加工装置に関する。

例えば金属等の加工物に対する切断、穴あけ、溶接、表面マーキング加工などを行うためのレーザ加工装置が知られている。この種のレーザ加工装置は、レーザ発振器、光学系、加工ヘッド等を備え、レーザ発振器から出力されたレーザ光を光学系を介して加工ヘッド導き、ノズル口から加工物に照射する。また、これと共に、加工ヘッドのノズル口からレーザ光と同軸にアシストガスを噴射し、デブリの排出や加工部分の冷却を行うように構成されている（例えば特許文献１参照）。

ところで、例えば加工物のマーキング加工や溝加工等を行うレーザ加工装置においては、光学系にガルバノスキャナ及びｆθレンズを組み合わせた、例えば２０φ以上の大面積光学系を備えるものがある。この場合、加工ヘッドの先端のノズル口の開口径も大きくなるため、アシストガスの流速を十分に高くすることができない事情がある。そのため、特許文献１では、ノズルの先端部に、レーザ光が出力される口の周囲に別にガス噴出用の口を設けた、いわゆる二重ノズルを採用するようにしている。

特開平７－２２３０８６号公報

ところが、上記のように、二重ノズルを設けるものでは、ノズルの構成が複雑となると共に、高速で噴出されるアシストガスによって、その内側に負圧領域が形成されてしまう。この負圧領域の形成によって、加工点からノズルの中心部の噴射中央部に上昇気流が発生し、デブリ等の噴出物のノズル内部への巻き込みの不具合がある。この噴出物の巻き込みにより、光学部品の汚損やレーザ出力の減衰といった問題が発生する。また、噴射位置ごとの流速のむらが発生する問題点もある。尚、主アシストガスに加えて、主アシストガスの周囲に側方から補助アシストガスを噴射するものもあるが、レーザ光と同軸上に高速でアシストガスを噴射する場合と比べて、加工品質の低下を招いてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、大面積の光学系を備えノズル口が比較的大型となるものにあっても、簡単な構成で高速のアシストガスを供給することが可能なレーザ加工装置を提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置（１）は、レーザ発振器（２）からのレーザ光（Ｌ）を、光学系（４）を通して加工ヘッド（３）の先端のノズル口（１０）から照射すると共に、アシストガス供給機構（５）により、前記ノズル口からアシストガス（Ａ）をレーザ光と同軸に噴射するものであって、前記加工ヘッドは、先端側に、内壁部が前記ノズル口に向けて縮径するノズル部（９）を有すると共に、基端側に、前記ノズル部側に開口するガスパージエリア（１１）を気密状に有し、前記ノズル部の基端部に位置してガスを該ノズル部の内壁面に沿って前記ノズル口に向けて高速で流すスリット状の噴出口（１３）を備え、前記アシストガス供給機構は、前記ガスパージエリアに第１のアシストガスを正圧状態で供給する第１のガス供給部（１２）と、前記噴出口に第２のアシストガスを供給する第２のガス供給部（１５）とを含んでいる。

上記構成によれば、レーザ光は、レーザ発振器から光学系を通して加工ヘッドの先端のノズル口から加工物に照射される。これと共に、アシストガス供給機構により、ノズル口からアシストガスがレーザ光と同軸に噴射される。このとき、アシストガス供給機構のうち、第２のガス供給部により比較的高圧で供給された第２のアシストガスは、ノズル部の基端部のスリット状の噴出口から、ノズル部の内壁面に沿ってノズル口に向けて高速で噴射される。併せて、ガスパージエリアには、第１のアシストガスが第１のガス供給部により正圧で供給されている。

ここで、大面積の光学系を備える場合には、ノズル口の開口径も大きくなる事情があるが、第２のアシストガスがノズル口の内側の外周寄り部分を高速で流れることにより、その内側部が負圧になり、ノズル部内に連通しているガスパージエリア内の第１のアシストガスを引き込むようになる。ガスパージエリア内の第１のアシストガスを正圧で保持することにより、負圧領域に第１のアシストガスを積極的に導入できる。これにて、第１及び第２のアシストガスが混合された状態のアシストガスが、レーザ光と同軸に比較的高速でノズル口から噴出される。これにより、ノズル内部の不安定な負圧領域を解消しつつ、第１のアシストガスを積極的に引き込んだ安定的な噴射が可能となる。結果として、ノズル内部のガス流速の均一化が図られると共に、負圧領域の形成に伴う上記不具合を解消することができる。従って、大面積の光学系を備えノズル口が比較的大型となるものにあっても、簡単な構成で高速のアシストガスを供給することが可能となり、ひいては高品質のレーザ加工が可能となる。

一実施形態を示すもので、レーザ加工装置の全体構成を概略的に示す図 加工ヘッド部分を示す図 加工ヘッドの内部構成を概略的に示す断面図

（一実施形態）
以下、一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、例えば金属板からなるワークＷに対して、表面のマーキング加工を行う場合を具体例として説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１の全体構成を概略的に示している。このレーザ加工装置１は、周知のレーザ発振器２、加工ヘッド３、前記レーザ発振器２から出力されたレーザ光を前記加工ヘッド３に導く光学系４とを備えている。また、前記ワークＷに対してアシストガスＧを噴射するアシストガス供給機構５を備えている。尚、図示はしないが、ワークＷに対し前記加工ヘッド３を相対的に移動させるための移動機構も設けられている。

前記光学系４は、レーザ光Ｌの光路を折曲げるためのミラー４ａを備えると共に、加工ヘッド３の基端側である上部に位置して、ガルバノスキャナ６及びｆθレンズ７を備えている。これにて、光学系４は大面積光学系とされている。尚、大面積光学系とは、例えばレンズの直径が２０mmφ以上の光学系をいう。前記ガルバノスキャナ６は、コンピュータを含んで構成される制御装置８により制御される。また、前記制御装置８は、レーザ加工装置１全体を制御するように構成されている。

ここで、前記加工ヘッド３について、図２及び図３も参照して詳述する。図２に示すように、加工ヘッド３は、例えば円筒状のボディ３ａを備え、そのボディ３ａ内の上部に、上記した光学系４を構成するガルバノスキャナ６及びｆθレンズ７が組込まれている。前記ボディ３ａの先端部である下端部には、ノズル部９が設けられている。このノズル部９の底面部には、レーザ光Ｌ及びアシストガスＧを噴射するノズル口１０が設けられている。この場合、ノズル口１０についても、レーザ光Ｌの走査のため比較的大形、例えば直径が８mmφ以上に構成されている。

さて、図２、図３にも示すように、前記ボディ３内の、前記ｆθレンズ７と前記ノズル部９との間には、ガスパージエリア１１が設けられている。このガスパージエリア１１は、ノズル部９側に開口していると共に、その周壁部に１個又は複数個の供給口１１ａを有しており、ノズル部９側以外にガスの漏れの生じることのない気密状に構成されている。図１に示すように、このガスパージエリア１１の供給口１１ａは、第１のガス供給部１２に接続されており、第１のガス供給部１２から、第１のアシストガスが正圧で供給されるようになっている。第１のアシストガスとしては、例えばヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスが採用されている。

図３に示すように、前記ノズル部９は、その内壁面が、図で上端部から前記ノズル口１０に向けて全体として縮径する形状、この場合テーパ面状に構成されている。ノズル部９の上端部は、前記ガスパージエリア１１に連通するように円形に開口している。そして、このノズル部９には、基端側即ち上部寄り部位に位置して、ノズル部９内に第２のアシストガスを高速で流すためのスリット状の噴出口１３が全周に渡って設けられている。この噴出口１３は、ノズル部９の内壁面のテーパに沿うような下向きに設けられており、例えば図で左右両端の２箇所に設けられた供給口１４に連通している。

このとき、図３に示すように、ノズル部９は、軸方向つまり上下方向に２つの部品９ａ、９ｂを突き合わせて連結することにより構成され、それらの突き合わせ部分に位置して前記噴出口１３及び供給口１４が構成されるようになっている。図１に示すように、前記２つの供給口１４は、第２のガス供給部１５に接続されており、第２のガス供給部１５から、第２のアシストガスが高圧、例えば０．１ＭＰａ以上の圧力で供給されるようになっている。第２のアシストガスとしては、前記第１のアシストガスとは異なる種類の不活性ガス例えば窒素ガスが採用されている。

これにて、第２のアシストガスが、第２のガス供給部１５から供給口１４に高圧で供給され、スリット状の噴出口１３から下向き即ち図３で矢印Ａ２方向に高速で噴出される。その第２のアシストガスは、ノズル部９の内壁面に沿って高速で流れ、ノズル口１０からワークＷの加工位置に向けて噴射される。前記ガスパージエリア１１、第１のガス供給部１２、噴出口１３、第２のガス供給部１５等から、アシストガス供給機構５が構成されている。尚、詳しく図示はしないが、レーザ発振器２、第１のガス供給部１２、第２のガス供給部１５も、前記制御装置８により制御される。

次に、上記構成のレーザ加工装置１の作用について述べる。レーザ加工装置１において、ワークＷの表面マーキング加工を行う場合、制御装置８は、レーザ発振器２を駆動すると共に、ガルバノスキャナ６を制御する。これにより、図１に示すように、レーザ発振器２から出力されたレーザ光Ｌは、光学系４を通して、加工ヘッド３のノズル口１０からワークＷに対して照射され、所定のマーキングが行われる。これと共に、制御装置８は、第１のガス供給部１２及び第２のガス供給部１５を駆動制御し、アシストガス供給機構５により、ノズル口１０からアシストガスＡがレーザ光Ｌと同軸に噴射される。

これにより、ワークＷの加工部分にアシストガスＡが吹付けられ、発生したデブリの排出やワークＷの加工部分の冷却が行われる。このとき、具体的には、図３に示すように、第２のガス供給部１５により加工ヘッド３の供給口１４に比較的高圧で供給された第２のアシストガスが、ノズル部９のスリット状の噴出口１３から、ノズル部９の内壁面に沿って矢印Ａ２方向に高速で流れ、ノズル口１０から下方に向けて高速で噴射される。併せて、加工ヘッド３内のガスパージエリア１１には、第１のガス供給部１２から第１のアシストガスが正圧で供給されている。

ここで、ガルバノスキャナ６及びｆθレンズ７といった大面積の光学系４を備える場合には、ノズル口１０の開口径も大きくなる事情がある。ところが、図３に示すように、第２のアシストガスがノズル口１０の内側の外周寄り部分を矢印Ａ２方向に高速で流れることにより、その内側部が負圧になり、ノズル部９内に連通しているガスパージエリア１１内の第１のアシストガスを、矢印Ａ１方向に引き込むようになる。ガスパージエリア１１内の第１のアシストガスが正圧で保持されていることにより、負圧領域に第１のアシストガスを積極的に導入することができる。

これにて、第１及び第２のアシストガスが混合された状態のアシストガスＡが、レーザ光Ｌと同軸に比較的高速でノズル口１０から噴出され、ワークＷの加工部分に高速で吹付けられるようになる。従って、アシストガスＡによるデブリの排出や加工部分の冷却が効果的に行われる。この場合、ノズル部９の内部の不安定な負圧領域を解消しつつ、第１のアシストガスを積極的に引き込んだ安定的な噴射が可能となる。結果として、ノズル部９の内部のガス流速の均一化が図られると共に、負圧領域の形成に伴うデブリ等の噴出物のノズル部９の内部への巻き込み等の不具合を解消することができる。

このように本実施形態によれば、加工ヘッド３に、ノズル部９側に開口するガスパージエリア１１を気密状に設け、第１のアシストガスを正圧状態で供給すると共に、ノズル部９に設けられたスリット状の噴出口１３から、第２のアシストガスを該ノズル部９の内壁面に沿ってノズル口１０に向けて高速で流す構成とした。これにより、大面積の光学系４を備えノズル口１０が比較的大型となるものにあっても、簡単な構成で高速のアシストガスＡを供給することが可能となり、ひいては高品質のレーザ加工が可能となるという優れた効果を得ることができる。

特に本実施形態では、前記ノズル部９を構成する、２つの部品９ａ、９ｂを突き合わせてスリット状の噴出口１３を形成するように構成した。これにより、スリット状の噴出口１３を容易に形成することができ、部品９ａ、９ｂの交換によって噴出口１３の形状や隙間寸法などを容易に変更することが可能となる。また、部品９ｂの交換によって、ノズル部９の内壁面の形状、例えばテーパの角度等も容易に変更することができる。噴出口のスリット幅の調整によって、アシストガスの流速の調整も容易となる。

また、本実施形態では、前記第１のガス供給部１２と第２のガス供給部１５とを、別の種類のアシストガスを供給することが可能となるように構成した。この構成により、第１のアシストガスと、第２のアシストガスとを使い分けることができる。本実施形態では、例えば、より多く使用する第２のアシストガスに、比較的安価な窒素ガスを採用し、第１のアシストガスに、コストが比較的高いが冷却等の効果が高いヘリウムガスを採用した。これにより、アシストガス全体としてのコストを抑制しながら、高品質の加工を行うことが可能となる。

（他の実施形態）
以下、図示は省略するが、いくつかの他の実施形態について述べる。上記実施形態では、第１のアシストガスと第２のアシストガスとを別の種類のガスとしたが、第１のガス供給部と第２のガス供給部とを、同じ種類のガスが供給されるように構成することができる。これによれば、使用すべきアシストガスを１種類で済ませることができ、２種類のガスを用いる場合と比べて、構成の簡単化を図ることができる。アシストガスの種類としても、上記した以外にも二酸化炭素など各種の不活性ガスを採用することができる。

また、エアクーラなどで冷却した第１のアシストガスを、ガスパージエリアに供給する構成とすることもでき、これよれば、加工部の冷却効果をより高めることができる。噴出口１３に第２のアシストガスを供給する供給口１４を、接線方向からガスを供給する構成とすれば、噴出口１３から流れる第２のアシストガスを、螺旋状に回転させながら噴射することができる。ノズル口の形状としては、円形に限らず、他の形状例えば四角形などとすることができる。ノズル口部分をいわゆるラバル形状として、流れ方向や流速を変化させることもできる。加工ヘッドの先端部分とワークの加工面との間を、例えば遮蔽板で囲うようにすることで、ガスパージ状態での加工が可能となる。

さらに、加工ヘッドとワークの加工面との間の部分からデブリ等を吸引する吸引機構を付加するようにすれば、デブリの排出をより確実に行うことが可能となる。ワークＷとしては、プラスチックなど金属以外のものでもよく、また、マーキング加工以外でも、切断、穴開け、溝加工等の加工を行うものでも良い。ガルバノスキャナ及びｆθレンズを備えるものに限らず、大形のレンズなど大面積の光学系を備えるもの全般に適用することができる。

その他、上記実施形態で説明したレーザ加工装置の全体構成についても、一例を示したに過ぎず、例えばロボット装置による加工ヘッドと加工物との間の相対移動を伴うものであっても良い等、様々な変更が可能である。本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することにより提供された専用コンピュータにより実現されても良い。或いは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によりプロセッサを構成することにより提供された専用コンピュータにより実現されても良い。若しくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路により構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより実現されても良い。又、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていても良い。

図面中、１はレーザ加工装置、２はレーザ発振器、３は加工ヘッド、４は光学系、５はアシストガス供給機構、６はガルバノスキャナ、７はｆθレンズ、８は制御装置、９はノズル部、１０はノズル口、１１はガスパージエリア、１２は第１のガス供給部、１３は噴射口、１４は供給口、１５は第２のガス供給部、Ｗはワーク（加工物）、Ｌはレーザ光、Ａはアシストガスを示す。

Claims (4)

1. レーザ発振器（２）からのレーザ光（Ｌ）を、光学系（４）を通して加工ヘッド（３）の先端のノズル口（１０）から照射すると共に、アシストガス供給機構（５）により、前記ノズル口からアシストガス（Ａ）をレーザ光と同軸に噴射するレーザ加工装置（１）であって、
   前記加工ヘッドは、先端側に、内壁部が前記ノズル口に向けて縮径するノズル部（９）を有すると共に、基端側に、前記ノズル部側に開口するガスパージエリア（１１）を気密状に有し、前記ノズル部の基端部に位置してガスを該ノズル部の内壁面に沿って前記ノズル口に向けて高速で流すスリット状の噴出口（１３）を備え、
   前記アシストガス供給機構は、前記ガスパージエリアに第１のアシストガスを正圧状態で供給する第１のガス供給部（１２）と、前記噴出口に第２のアシストガスを供給する第２のガス供給部（１５）とを含み、
   前記ノズル口から噴射される前記アシストガスは、前記第１のアシストガスと前記第２のアシストガスとが混合して構成されている、
   レーザ加工装置。
2. 前記噴出口は、前記ノズル部を構成する部品のうち、２部品を突き合わせて形成される請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１のガス供給部と第２のガス供給部とは、別の種類のガスを供給することが可能に構成されている請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１のガス供給部と第２のガス供給部とは、同じ種類のガスが供給されるように構成されている請求項１又は２記載のレーザ加工装置。

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