JP2007069225A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接に伴って発生したスパッタを一段と効率良く吹き飛ばすことができ、それによって特に保護ガラスの長寿命化を図りながらその保護ガラスの交換頻度の大幅な低頻度化を実現したレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ溶接を目的としたレーザ加工ヘッド１であって、焦点レンズ９よりもパネルＷ側の前面に保護ガラス１０を設けてある。保護ガラス１０よりもパネルＷ側に第１の加工副次物飛散偏向手段として機能するエアシャッター４を設ける。さらに、保護ガラス１０とエアシャッター４との間に、そのエアシャッター４によっては飛散偏向しきれなかったスパッタの飛散方向をさらに偏向するスパッタ排除ファン７を第２の加工副次物飛散偏向手段として設けてある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接に代表されるような各種レーザ加工のためのレーザ加工ヘッドに関し、特に加工副次物であるスパッタの付着からレーザ光学系を保護するためにそのレーザ光学系の末端の集光レンズの前面側に保護ガラスを備えたレーザ加工ヘッドの改良に関するものである。

例えばレーザ溶接用のレーザ加工ヘッドでは、レーザ集光レンズの前面側すなわちレーザ光学系の末端の集光レンズと被溶接物との間に保護ガラスを設けて、溶接副次物であるスパッタの付着から集光レンズを保護するようにしている。その一方、保護ガラスそのものへのスパッタの付着が不可避であり、そのまま放置すると加工点出力の低下により溶接品質の低下が余儀なくされることから、保護ガラスの定期的な交換が必要となっている。特に亜鉛めっき鋼板やアルミニウム合金の溶接ではスパッタの発生量が多くなるため、保護ガラスの交換頻度が顕著となる。

このようなことから、保護ガラスへのスパッタの付着防止手段として、保護ガラスよりも被溶接物側にいわゆるエアシャッターを設けて、被溶接物側からのスパッタの飛散方向を大きく偏向して実質的にスパッタ等を吹き飛ばすことより保護ガラスへのスパッタの付着を抑制するようにした技術が特許文献１，２等にて提案されている。
特開２００２−６６７８１号公報（図１） 特開２００２−１９２３７４号公報（図１）

しかしながら、これらの特許文献１，２に記載の技術では、保護ガラスへのスパッタの付着量の低減効果は一応は認められるものの、エアシャッターだけでは全てのスパッタを確実に吹き飛ばすことができず、なおも保護ガラスの定期的な点検および交換が必要となっている。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、レーザ溶接に代表されるようなレーザ加工に伴って発生したスパッタを一段と効率良く吹き飛ばすことができ、それによって特に保護ガラスの長寿命化を図りながらその保護ガラスの交換頻度の大幅な低頻度化を実現したレーザ加工ヘッドを提供するものである。

請求項１に記載の発明は、レーザ光学系の末端の集光レンズにてレーザ光を集光した上で被加工物に照射してレーザ溶接等のレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドであって、集光レンズよりも被加工物側の前面に配置された保護ガラスと、保護ガラスよりも被加工物側においてレーザ光の光軸に対しその直交方向からの空気流れをもって形成され、被加工物側からの加工副次物の飛散方向を偏向する第１の加工副次物飛散偏向手段と、保護ガラスと第１の加工副次物飛散偏向手段との間に配置され、第１の加工副次物飛散偏向手段によっては飛散偏向しきれなかった加工副次物の飛散方向をさらに偏向する回転式の第２の加工副次物飛散偏向手段とを備えていることを特徴とする。

この場合、第２の加工副次物飛散偏向手段としては、例えば請求項２に記載のように、平板状の羽根を放射状に配置した偏向羽根車を有しているものとする。

ここで、被加工物から保護ガラスに向かって加工副次物であるスパッタが飛散すると、第１の加工副次物飛散偏向手段のはたらきにより、その飛散方向は第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れの下流側に偏向される。そこで、請求項３に記載のように、第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れの下流側において偏向羽根車の回転軌跡が保護ガラスの有効面積の一部とオーバーラップするように設定されていることが望ましい。

また、偏向羽根車を電動モータ等の専用の駆動源にて回転駆動させるようにしても良いが、設備コスト低減の観点から例えば請求項４に記載のように、第２の加工副次物飛散偏向手段は第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れをもって回転駆動される駆動用羽根車を備えていて、この駆動用羽根車により偏向羽根車が回転駆動されるようになっていることが望ましい。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、被加工物から保護ガラスに向かってスパッタが飛散した場合、それらのスパッタの飛散方向は保護ガラスに到達するまでの間に第１，第２の加工副次物飛散偏向手段によって実質的に二段階にわたり偏向されることになるので、多くのスパッタが保護ガラスに到達する間での間に実質的に吹き飛ばされて、保護ガラスへのスパッタの付着は大幅に抑制される。

この場合において、第１の加工副次物飛散偏向手段は、先に述べたように保護ガラスよりも被加工物側においてレーザ光の光軸に対しその直交方向からの空気流れをもって形成されたいわゆるエアシャッタータイプのものであるから、スパッタの飛散方向は最初に第１の加工副次物飛散偏向手段によって上記空気流れの下流側に偏向される。そこで、第２の加工副次物飛散偏向手段としては、第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れの下流側を中心に飛散偏向処理を行えば、その飛散偏向効率が飛躍的に向上することになる。

請求項１に記載の発明によれば、いわゆるエアシャッタータイプの第１の加工副次物飛散偏向手段とは別に回転式の第２の加工副次物飛散偏向手段を設けたため、その二段階の飛散偏向処理により多くのスパッタ等の加工副次物を吹き飛ばすことができるようになり、保護ガラスへのスパッタ等の加工副次物の付着量を大幅に抑制することができる。その結果として保護ガラスの長寿命化が図られて、保護ガラスの交換頻度を著しく低頻度化することができる。

図１〜３は本発明に係るレーザ加工ヘッドのより具体的な実施の形態を示しており、特に図１はレーザ溶接に適用した場合のレーザ加工ヘッドの側面説明図を、図２，３は図１の要部平面図をそれぞれ示している。

図１において、Ｗは被溶接物（被加工物）としてのパネル、１はレーザ加工ヘッドであって、加工ヘッド本体として機能する筒状のハウジング２には、遮蔽板３と、エアシャッター４の空気吹き出し部として機能するエアブローノズル５とが取付ブラケット６を介して付帯しているほか、後述するように回転式の第２の加工副次物飛散偏向手段として機能することになるスパッタ排除ファン７が付帯している。

筒状のハウジング２内には、コリメーションレンズ８と集光レンズとして機能する焦点レンズ９とを収容配置してあるとともに、焦点レンズ９の前面、すなわち焦点レンズ９よりもパネルＷ側にはその焦点レンズ９を保護するための保護ガラス１０を配置してある。なお、これらのハウジング２のほか、コリメーションレンズ８と焦点レンズ９および保護ガラス１０とでレーザ光学系を構成している。

また、ハウジング２には図示外のレーザ発信器から出力されたＹＡＧレーザ等のレーザ光Ｌが光ファイバーケーブル１１を介して導入口１２から導入されるようになっていて、ハウジング２内に導入されたレーザ光Ｌは集光レンズ９で集光された上でパネルＷ上の溶接点Ｐに所定のスポット径にて照射されることになる。

そして、例えばパネルＷを固定側、レーザ加工ヘッド１を可動側とした場合に、レーザ加工ヘッド１を溶接方向に所定速度で移動させることで溶接点Ｐに順次溶接が施されることになる。

ハウジング２とパネルＷとの間には、先に述べたように円形の光路穴３ａが形成された遮蔽板３とエアシャッター４の空気吹き出し部として機能するエアブローノズル５とを配置してある。すなわち、ハウジング２から下方に向けて取付ブラケット６を延設形成し、この取付ブラケット６に遮蔽板３とエアブローノズル５とを、そのエアブローノズル５を上側にして近接配置してある。

遮蔽板３は、レーザ溶接に伴って発生するスパッタがレーザ加工ヘッド１側に向かって飛散して保護ガラス１０に付着するのを抑制するために設けてあるもので、レーザ光Ｌと干渉することがないようにそのレーザ光Ｌの通過を許容する円形の光路穴３ａを形成してある。

一方、エアブローノズル５は、先端の偏平状のノズル口５ａからレーザ光Ｌの光軸に対してほぼ直交方向から溶接平面とほぼ平行に且つ層状に圧縮空気を高速で吹き出して層状の高速空気流れ１３を形成するもので、エアブローノズル５を空気吹き出し部とするこの層状の高速空気流れ１３が第１の加工副次物飛散偏向手段たるエアシャッター４として機能することになる。

スパッタ排除ファン７は、図１のほか図２，３に示すように、垂直な回転軸１４を有する偏向羽根車としてのスパッタ排除用羽根車１５と同じく垂直な回転軸１６を有する駆動用羽根車１７とを所定量だけオフセットさせつつ近接配置し、それらのスパッタ排除用羽根車１５と駆動用羽根車１７とをハウジング２から延設形成した共通の支持ブラケット１８に対しベアリング１９を介して回転可能に軸受支持させたものである。

スパッタ排除用羽根車１５は例えば薄い金属板をもって形成された平板状の四枚の径向き羽根２０を放射状に配置することで平面視にて十字状のものとして形成してあり、図１から明らかなようにその羽根２０がハウジング２の下面に接触しないまでもそのハウジング２の下面と極小隙間をもって近接・対峙するように設定してあるとともに、駆動用羽根車１７は同じく薄い金属板製の八枚の径向き羽根２１を放射状に配置することで形成してある。これら双方の羽根車１５，１７は共に同軸一体に歯車（平歯車）２２，２３を有しており、その歯車２２，２３同士は互いに噛み合っている。

ここで、図４に示すように、上記スパッタ排除ファン７を有していないと仮定した場合には、溶接点Ｐからレーザ加工ヘッド１側に向かって飛散したスパッタは（スパッタの飛散方向を符号Ｆで示す）、その一部が遮蔽板３によって遮られて跳ね返ったりその遮蔽板３に付着するものの、残りの一部のスパッタは遮蔽板３の光路穴３ａを通過してそれよりも上方の保護ガラス１０に付着することになる。この時、エアシャッター４の機能によりスパッタの飛散方向Ｆが偏向されているので（偏向後の飛散方向を符号Ｆ１で示す）、スパッタは保護ガラス１０のうちでもエアシャッター４による高速空気流れ１３の下流側にのみ集中して、すなわち図４の（Ｂ）のスパッタ付着エリアＱに多くのスパッタが付着することになる。

そこで、上記スパッタ排除ファン１５のレイアウトにあたっては、図４の（Ｂ）のような保護ガラス１０におけるスパッタ付着エリアＱの位置を考慮するものとし、図２に示すように特にスパッタ排除用羽根車１５の羽根２０の回転軌跡が先のスパッタ付着エリアＱとオーバーラップするように設定してある。同時に、エアシャッター４として機能する高速空気流れ１３を受けて駆動用羽根車１７が回転駆動されるように、高速空気流れ１３の下流側においてその高速空気流れ１３と駆動用羽根車１７の回転軌跡がオーバーラップするように設定してある。これにより、高速空気流れ１３をもって駆動用羽根車１７が回転すれば、その回転が歯車列２２，２３を介してスパッタ排除用羽根車１５に伝達されて、スパッタ排除用羽根車１５が回転駆動されることになる。

したがって、このように構成されたレーザ加工ヘッド１の構造によれば、レーザ光Ｌの照射によるレーザ溶接と並行して、エアブローノズル５から圧縮空気を吹き出してエアシャッター４としての高速空気流れ１３を生成する。

溶接動作の進行に伴って溶接点Ｐからは溶接副次物（加工副次物）であるスパッタが発生して飛散する。それらのスパッタのうち一部のものは遮蔽板３に当接して跳ね返るかもしくは付着することによって、それよりも上方への飛散が阻止される一方、残りの一部のスパッタがレーザ光Ｌの光路方向を指向しつつ遮蔽板３の光路穴３ａを通過して遮蔽板３の上方まで、すなわちスパッタ排除用羽根車１５の回転領域まで飛散する。

遮蔽板３の光路穴３ａを通過してスパッタ排除用羽根車１５の回転領域まで飛散したスパッタは、飛散距離が長くなるほどその運動エネルギーが低下していることから、光路穴３ａを通過した直後のエアシャッター４の高速空気流れ１３の影響を受けて、図４のスパッタ付着エリアＱの方向を指向するべく高速空気流れ１３の下流側に大きく偏向され、一部のものは保護ガラス１０の投影面積以外の領域に吹き飛ばされる。さらに、高速空気流れ１３の上方側であって且つハウジング２の直下においてスパッタ排除用羽根車１５が回転しているので、スパッタはそのスパッタ排除用羽根車１５の回転によって飛散方向が大きく偏向され、多くのスパッタは保護ガラス１０の投影面積以外の領域に排除される。より具体的には、エアシャッター４の高速空気流れ１３の上方まで飛散したスパッタの多くは、スパッタ排除用羽根車１５の回転による風圧にて跳ね返るようにして吹き飛ばされるか、回転中のスパッタ排除用羽根車１５の羽根２０そのものに付着することで捕集される。

その結果として、保護ガラス１０における図４のスパッタ付着エリアＱに相当する位置でのスパッタの付着量は著しく少ないものとなる。

このように本実施の形態によれば、エアシャッター４以外にスパッタ排除用羽根車１５を設けて、実質的に二段階にわたってスパッタの飛散方向を偏向するようにしたことにより、保護ガラス１０へのスパッタの付着が大幅に抑制されて保護ガラス１０を長寿命化を達成できるようになり、併せてその保護ガラス１０の交換頻度をきわめて低いものとすることができる。

ここで、上記スパッタ排除用羽根車１５の回転に伴いその都度各々の羽根２０が瞬間的にレーザ光Ｌを遮ることになるが、それぞれの羽根２０は板厚の小さな金属板製のものであるので、それらの羽根２０がレーザ光Ｌを遮ることによる出力低下は溶接品質に支障のないレベルにとどめることができる。

図５以下の図面は本発明に係るレーザ加工ヘッド１の第２の実施の形態を示しており、先の第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の実施の形態では、先に述べたように、スパッタ排除ファン７におけるスパッタ排除用羽根車１５の回転をもってスパッタの飛散方向を偏向する際にスパッタ自体がスパッタ排除用羽根車１５に付着することがある点を考慮し、スパッタ排除ファン７に、スパッタ排除用羽根車１５のクリーニング手段または溶接副次物（加工副次物）削り取り手段として各羽根車２０にスパッタ削り取りカッタ３１を付帯させたものである。

より詳しくは、図５，６のほか図７〜１０に示すように、スパッタ排除用羽根車１５を形成している各羽根２０のそれぞれにすり割り溝３２を有するスパッタ削り取りカッタ３１を摺動可能に係合保持させるとともに、スパッタ排除用羽根車１５および駆動用羽根車１７を支持させてある支持ブラケット１８の下面側にカッタ取付プレート３３を取り付けて、このカッタ取付プレート３３にスパッタ削り取りカッタ３１を移動可能に支持させてある。

スパッタ削り取りカッタ３１は、図７〜１０に示すようにすり割り溝３２の内側面に刃部３４を備えているほか、上端にはＴボルトもしくはＴ溝ボルトの頭部（Ｔ頭）のような取付基部３５を形成してある。他方、カッタ取付プレート３３は輪郭形状が平面視にて楕円形または卵形状のものとして形成されていて、そのカッタ取付プレート３３の下面には輪郭形状とほぼ相似形のエンドレスなカッタ案内溝３６を形成してある。

このカッタ案内溝３６は図７に示すようにいわゆるＴ溝状のものであって、このＴ溝状のカッタ案内溝３６に対して各スパッタ削り取りカッタ３１の取付基部３５をスライド可能に嵌合保持させてある。これにより、スパッタ排除用羽根車１５の回転に同期して各羽根２０に係合しているスパッタ削り取りカッタ３１が案内溝３６に沿って追従移動するようになっている。

同時に、図６に示したように、楕円形または卵形状の案内溝３６の最短径はおよびそれと正反対位置の最長径は共にスパッタ排除用羽根車１５の回転中心とレーザ光Ｌの光軸とを結んだ線上に位置するように設定してある。その結果として、案内溝３６の最短径位置では羽根２０に係合しているスパッタ削り取りカッタ３１がその羽根２０の最も根元部側に位置してレーザ光Ｌと干渉しないように（図５，９および図１１の（Ａ）の状態）、同じく案内溝３６の最長径位置では羽根２０に係合しているスパッタ削り取りカッタ３１がその羽根２０の最も先端部側に位置するようにそれぞれ設定してある（図１１の（Ｃ）の状態）。これにより、スパッタ排除用羽根車１５の回転に伴い各スパッタ削り取りカッタ３１が案内溝３６に沿って追従移動しながら、同時に各スパッタ削り取りカッタ３１が各羽根２０の長手方向に沿って摺動移動することになる。

したがって、この第２の実施の形態によれば、第１の加工副次物飛散偏向手段たるエアシャッター４の機能および第２の加工副次物飛散偏向手段たるスパッタ排除ファン７の機能は先の第１の実施の形態と全く同様である。その上で、本実施の形態では、図１１に示すように、スパッタ排除用羽根車１５の回転に伴い各スパッタ削り取りカッタ３１が案内溝３６に沿って追従移動しながら、同時に各スパッタ削り取りカッタ３１が各羽根２０の長手方向に沿って摺動移動することで、羽根２０に付着したスパッタを強制的に削り落とす機能を発揮することになる。その結果として、各羽根２０に付着したスパッタを人為的に且つ定期的に除去する必要がなくなり、省力化に寄与することができる。

ここで、上記第１，第２の実施の形態では、エアシャッター４の高速空気流れ１３を有効利用してスパッタ排除用羽根車１５を回転駆動させるようにしているが、必要に応じて電動モータ等にてスパッタ排除用羽根車１５を回転駆動させるようにしても良い。

本発明に係るレーザ加工ヘッドの第１の実施の形態を示す構成説明図。 図１の要部平面説明図。 同じく図１の要部平面説明図。 （Ａ）は図１のスパッタ排除ファンを有していないと仮定した場合のスパッタの飛散および付着状態を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の平面説明図。 本発明に係るレーザ加工ヘッドの第２の実施の形態を示す構成説明図。 図５の要部平面説明図。 図６のＳａ−Ｓａ線に沿う拡大断面説明図。 図５の要部拡大説明図。 図８のＳｂ−Ｓｂ線に沿う断面説明図。 図８のＳｃ−Ｓｃ線に沿う断面説明図。 図５に示したスパッタ削り取りカッタの平面的な作動説明図。

符号の説明

１…レーザ加工ヘッド
２…ハウジング
４…エアシャッター（第１の加工副次物飛散偏向手段）
５…エアブローノズル
７…スパッタ排除ファン（第２の加工副次物飛散偏向手段）
８…コリメーションレンズ（レーザ光学系）
９…集光レンズとして機能する焦点レンズ（レーザ光学系）
１０…保護ガラス（レーザ光学系）
１３…高速空気流れ
１５…スパッタ排除用羽根車（偏向羽根車）
１７…駆動用羽根車
２０…羽根
２２…歯車
２３…歯車
３１…加工副次物削り取り手段としてのスパッタ削り取りカッタ（クリーニング手段）
Ｌ…レーザ光
Ｗ…被溶接物としてのパネル（被加工物）

Claims (8)

1. レーザ光学系の末端の集光レンズにてレーザ光を集光した上で被加工物に照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドであって、
   集光レンズよりも被加工物側の前面に配置された保護ガラスと、
   保護ガラスよりも被加工物側においてレーザ光の光軸に対しその直交方向からの空気流れをもって形成され、被加工物側からの加工副次物の飛散方向を偏向する第１の加工副次物飛散偏向手段と、
   保護ガラスと第１の加工副次物飛散偏向手段との間に配置され、第１の加工副次物飛散偏向手段によっては飛散偏向しきれなかった加工副次物の飛散方向をさらに偏向する回転式の第２の加工副次物飛散偏向手段と、
   を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 第２の加工副次物飛散偏向手段は平板状の羽根を放射状に配置した偏向羽根車を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れの下流側において偏向羽根車の回転軌跡が保護ガラスの有効面積の一部とオーバーラップするように設定されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 第２の加工副次物飛散偏向手段は第１の加工副次物飛散偏向手段による空気流れをもって回転駆動される駆動用羽根車を備えていて、この駆動用羽根車により偏向羽根車が回転駆動されるようになっていることを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 偏向羽根車および駆動用羽根車は共に同軸一体に歯車を備えているとともに双方の歯車同士が互いに噛み合っていて、駆動用羽根車の回転に応じこれらの歯車列を介して偏向羽根車が回転駆動されるようになっていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 第２の加工副次物飛散偏向手段は偏向羽根車のクリーニング手段を備えていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
7. 偏向羽根車のクリーニング手段は、偏向羽根車に付着した加工副次物をその偏向羽根車の回転中に削り取る加工副次物削り取り手段であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
8. 加工副次物削り取り手段は偏向羽根車を形成している羽根と嵌合しているとともに、偏向羽根車の回転に追従移動しながら羽根と相対移動して、その羽根に付着した加工副次物を削り取るものであることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。

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