JP2019141861A

JP2019141861A - 保護ウインドの汚れを抑制するレーザ加工ヘッド

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Publication number: JP2019141861A
Application number: JP2018026096A
Authority: JP
Inventors: 貴士和泉; Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: DE102019103250B4; US20190255661A1; CN110153554B; US10792768B2; CN110153554A; DE102019103250A1; JP6659746B2

Abstract

【課題】簡易な構成で保護ウインドの汚れをより一層抑制する。【解決手段】レーザ加工ヘッド１２は、レーザ光の光軸Ｏに対して傾斜して配置された保護ウインド２３と、保護ウインド２３の下流に配置されていてガスを流入する流入口３０と、ガスを、保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５と、被加工材に向かって流れる第２層流２６とに分流する分流突起３１と、を備える。分流突起３１は、レーザ光の光軸Ｏを中心として流入口３０と対向する位置に配置されている。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドに関し、特に保護ウインドの汚れを抑制するレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工装置は、レーザ発振器で発生させたレーザ光を光ファイバ等で伝送し、レーザ加工ヘッドの内部に設けた集光レンズで被加工材に焦点を結ばせ、照射するように構成されている。集光レンズと被加工材との間には、被加工材の加工時に発生するスパッタ、ヒューム、粉塵等（以下、単に「粉塵」という。）から集光レンズを保護する保護ウインドが設けられている。また、加工領域にはシールドガスやアシストガス等（以下、単に「ガス」という。）が供給され、加工品質を劣化させないようにしている。

ところで、レーザ加工において、加工時に発生する粉塵が保護ウインド等に付着すると、レーザ光の集光の妨げになり、加工品質を劣化させる。保護ウインドの汚れを防止するため、例えば特許文献１では、集光レンズの集光側で気体噴射口から噴射されたアシストガスを排出するノズルと、ノズルと集光レンズとの間の内部空間でレーザビームの光軸に対して垂直な平面を有するリング状の整流板と、を備える、レーザ溶接ヘッドが提案されている。整流板は被加工材に近づくほど内径が小さくなり、気体噴射口から整流板に沿って噴射された気体はノズルホルダの内部空間から外部空間へ排出される。

特許文献２では、レーザ光が出射する開口部に配置された保護ガラスと、保護ガラスの外面に沿ってエアを吹き付けるエアブローノズルと、を備える、レーザ加工ヘッドが提案されている。保護ガラスの外面と、開口部の縁部とを同一平面上に配置することにより、レーザ加工に際して発生したミスト状汚染物が保護ガラスの表面に付着するのを防止している。

特許文献３では、テーパ状の隙間として形成されたエア供給部を備えるレーザ加工ヘッドが提案されている。エア供給部は、被加工材へ向かうカーテン状のエアを発生し、ノズル本体の内部のテーパ面を流下させつつ集束させて、ノズル本体の外部で焦点を結び、ノズル本体の内部と外部とを遮断することにより、スパッタやヒュームがノズル本体の内部に侵入するのを防止している。

特許文献４では、保護ガラスの汚れを防止する加工ヘッドではないものの、保護ガラスを水平より３〜７度前後傾斜させることにより、保護ガラスでの反射を抑制している加工ヘッドが提案されている。

特開平１１−２３９８８９号公報特開２０１５−９２７０号公報特開２００７−２１５７４号公報特開平５−２１２５７６号公報

保護ウインドに飛翔してくる粉塵に対してガスを吹き付けることにより、保護ウインドの汚れを防止しているものの、保護ウインドの交換頻度は依然として高い状態である。そこで、簡易な構成で保護ウインドの汚れをより一層抑制する技術が求められている。

本開示の一態様は、保護ウインドの汚れを抑制するレーザ加工ヘッドであって、レーザ光の光軸に対して傾斜して配置された保護ウインドと、保護ウインドの下流に配置されていてガスを流入する流入口と、ガスを、保護ウインドの表面に沿って平行に流れる第１層流と、被加工材に向かって流れる第２層流とに分流する分流突起と、を備える、レーザ加工ヘッドを提供する。

本開示によれば、保護ウインドがレーザ光の光軸に対して傾斜して配置されていることにより、保護ウインドへの粉塵の衝突角度が浅くなる。また、保護ウインドの表面に沿って平行に流れる第１層流と、被加工材に向かって流れる第２層流と、から構成される二層のガス流により、粉塵が保護ウインドに到達する前に２段階で弾かれる。これにより、簡易な構成で保護ウインドの汚れをより一層抑制することができる。

一実施形態におけるレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。第１実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図２Ａの断面Ａ−Ａに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。変形例の分流突起を備えるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。流入口から見た変形例の分流突起を示す正面図である。第２実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図３Ａの断面Ｂ−Ｂに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。図３Ａの部分Ｃに対応する流入口の拡大した縦断面図である。図３Ｃの断面Ｄ−Ｄに対応する流入口の拡大した横断面図である。第３実施形態におけるレーザ加工ヘッドの縦断面図である。図４Ａの断面Ｅ−Ｅに対応するレーザ加工ヘッドの横断面図である。図２Ｂ、図３Ｂ、及び図４Ｂにおいて説明したビーム径の算出方法を示す図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。なお、本明細書における用語「上流」とは、順方向に進むレーザ光の経路における上流側を指し、用語「下流」とは、順方向に進むレーザ光の経路における下流側を指す。

図１は、一実施形態におけるレーザ加工装置１０の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からレーザ光を導光して被加工材１５に照射するレーザ加工ヘッド１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、加工テーブル１６のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の駆動、並びに集光レンズ２２のＶ軸の駆動を制御する駆動制御装置１４と、を備えている。レーザ加工ヘッド１２は、レーザ発振器１１からのレーザ光を平行光にするコリメーションレンズ２１と、レーザ光を被加工材１５に集光する集光レンズ２２と、集光レンズ２２を粉塵から保護する保護ウインド２３と、ガスを流出口１７から被加工材１５に吹き付けるノズル２４と、を備えている。

保護ウインド２３は、反射コーティングで表面処理したガラス材料等で構成されている。保護ウインド２３は、集光レンズ２２に粉塵が付着しないようにレーザ加工ヘッド１２の内壁を塞ぐように配置されている。また、保護ウインド２３は、レーザ光の光軸に対して傾斜して配置されている。保護ウインド２３の傾斜角度としては、１５度以上であることが好ましい。これにより、被加工材１５のレーザ加工時に保護ウインド２３に向かって飛翔してくる粉塵の衝突角度が浅くなる。

図２Ａは、第１実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図である。レーザ加工ヘッド１２はさらに、保護ウインド２３の下流に配置されていてガスを流入する流入口３０と、流入口３０から流入されたガス流２７を、保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５と、被加工材１５に向かって流れる第２層流２６とに分流する分流突起３１と、を備えている。第１層流２５が保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れることにより、粉塵Ｐ１は保護ウインドに衝突する前に第１層流２５によって弾かれる。

分流突起３１は、レーザ光の光軸Ｏを中心として流入口３０と対向する位置に配置されている。流入口３０から流入されたガス流２７は分流突起３１に向かって流れるため、粉塵Ｐ２は第１層流２５に到達する前にガス流２７によって弾かれる。分流突起３１は、レーザ光の光軸Ｏを含む縦断面において流入口３０に向かって先細るテーパ形状に形成されている。分流突起３１がテーパ形状を有するため、流入口３０から流入されるガス流２７が分流突起３１に当たって２つに分流されるとき、一方の流れは保護ウインド２３に向かい易くなり、他方の流れは被加工材１５に向かい易くなる。レーザ加工ヘッド１２はさらに、分流突起３１の上流に整流突起２８を有していてもよい。整流突起２８は、分流突起３１で分流されて保護ウインド２３に向かう一方の流れを保護ウインド２３の表面に沿って平行な第１層流２５に変換するのを容易にする。

流入口３０は、レーザ光の光軸Ｏの方向において第１幅３２を有しており、分流突起３１は、レーザ光の光軸Ｏの方向において第２幅３３を有しており、第１幅３２は第２幅３３より小さく形成されることが好ましい。これにより、流入口３０から流入されたガス流２７が分流突起３１に当たって２つに分流されるとき、一方の流れの大部分が保護ウインド２３に向かい、他方の流れの大部分が被加工材１５に向かうようになる。

図２Ｂは、図２Ａの断面Ａ−Ａに対応するレーザ加工ヘッド１２の横断面図である。流入口３０は、レーザ光の光軸Ｏと直交する方向において第３幅３４を有しており、分流突起３１は、レーザ光の光軸Ｏと直交する方向において第４幅３５を有している。第３幅３４及び第４幅３５はそれぞれ、レーザ光のビーム径Ｒより大きく形成されていることが好ましい。これにより、保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５がレーザ光のビーム径Ｒより大きい流れになり、保護ウインド２３におけるレーザ光の通過領域への粉塵の付着が抑制される。また、流入口３０の第３幅３４は、分流突起３１の第４幅３５より小さく形成されていてもよい。これにより、流入口３０から流入されたガス流２７が分流突起３１に当たって２つに分流されるとき、一方の流れの大部分が保護ウインド２３に向かい、他方の流れの大部分が被加工材１５に向かうようになる。

図２Ｃは、変形例の分流突起３６を備えるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図であり、図２Ｄは、流入口３０から見た変形例の分流突起３６を示す正面図である。分流突起３６は、レーザ光の光軸Ｏを含む縦断面において流入口３０に向かって先細るテーパ形状３７から台形状３８へ遷移する形状を有している。これにより、被加工材へ向かって流れる第２層流２６が、レーザ光の光軸Ｏを中心として螺旋状に旋回する流れになり、乱流の発生が抑制される。また、粉塵Ｐ３は、流入口３０から流入されたガス流２７に到達する前に第２層流２６によって弾かれる。

第１実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２によれば、保護ウインド２３がレーザ光の光軸Ｏに対して傾斜して配置されていることにより、保護ウインド２３への粉塵Ｐ１の衝突角度が浅くなる。保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５と、流入口３０から流入されるガス流２７と、被加工材に向かって螺旋状に旋回して流れる第２層流２６と、から構成される三層のガス流により、粉塵Ｐ１〜Ｐ３が保護ウインド２３に到達する前に３段階で弾かれる。これにより、簡易な構成で保護ウインド２３の汚れをより一層抑制できる。

図３Ａは、第２実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図である。第２実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２は、レーザ光の光軸Ｏに対して傾斜して配置された保護ウインド２３と、保護ウインド２３の下流に配置されていてガスを流入する流入口４０と、流入口４０を、保護ウインド２３の表面と平行な方向と、被加工材へ向かう方向と、に分割して第１流入口４２及び第２流入口４３を形成する分流突起４１と、を備えている。分流突起４１は、レーザ光の光軸Ｏを含む縦断面においてレーザ光から離れる方向に向かって先細るテーパ形状を有している。分流突起４１がテーパ形状を有することにより、流入口４０から流入されるガス流が分流突起４１に当たって２つに分流されるとき、一方の流れは保護ウインド２３に向かい、他方の流れは被加工材１５に向かうようになる。

第１流入口４２は、保護ウインド２３の表面と平行な方向に向けられていて第１層流２５を保護ウインド２３の下流から上流へ流す。これにより、粉塵Ｐ４は保護ウインド２３に衝突する前に第１層流２５によって弾かれる。他方、第２流入口４３は、被加工材に向かう方向に向けられていて第２層流２６をレーザ光の光軸Ｏを中心として螺旋状に流す。これにより、乱流の発生が抑制されると共に、粉塵Ｐ５は第１層流２５に到達する前に第２層流２６によって弾かれる。

図３Ｂは、図３Ａの断面Ｂ−Ｂに対応するレーザ加工ヘッド１２の横断面図である。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第１流入口４２は、レーザ光の光軸Ｏの方向における第１幅４４と、レーザ光の光軸Ｏと直交する方向における第２幅４５と、を有しており、第１幅４４が第２幅４５より小さくなるように形成されている。これにより、層状の流れ（第１層流２５）が生成され、乱流の発生が抑制される。また、第１流入口４２の第２幅４５は、レーザ光のビーム径Ｒより大きい。これにより、保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５がレーザ光のビーム径Ｒより大きい流れになり、保護ウインド２３におけるレーザ光の通過領域への粉塵の付着が抑制される。

図３Ｃは、図３Ａの部分Ｃに対応する流入口４０の拡大した縦断面図である。分流突起４１は、第１面５０と、第１面５０とは反対側の第２面５１と、を有しており、分流突起４１の第１面５０が、分流突起４１の第１面５０に面する第１流入口４２の第３面５２と平行であり、分流突起４１の第２面５１が、分流突起４１の第２面５１に面する第２流入口４３の第４面５３と平行である。これにより、第１流入口４２及び第２流入口４３から流入されるガス流が層状になる。

図３Ｄは、図３Ｃの断面Ｄ−Ｄに対応する流入口４０の拡大した横断面図である。第２流入口４３は、レーザ光の光軸Ｏを含む縦断面に対して傾斜した第５面５４及び第６面５５を有している。これにより、第２層流２６は、レーザ光の光軸Ｏを中心として螺旋状に旋回しながら被加工材に向かうようになり、乱流の発生が抑制される。

第２実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２によれば、保護ウインド２３がレーザ光の光軸Ｏに対して傾斜して配置されていることにより、保護ウインド２３への粉塵Ｐ４の衝突角度が浅くなる。保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５と、被加工材に向かって螺旋状に旋回して流れる第２層流２６と、から構成される二層のガス流により、粉塵Ｐ４、Ｐ５が保護ウインド２３へ到達する前に弾かれる。これにより、簡易な構成で保護ウインド２３の汚れをより一層抑制できる。

図４Ａは、第３実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の縦断面図である。第３実施形態における第１流入口６２は、第１層流２５を保護ウインド２３の上流から下流へ流すように配置されている点で、第２実施形態における第１流入口４２とは異なる。第１層流２５が保護ウインド２３の上流から下流へ流れることにより、保護ウインド２３の下流に到達した第１層流２５は、レーザ加工ヘッド１２の内周面に浅い角度で当たり、被加工材に向かい易くなる。

他方、第２流入口６３は、第２実施形態における第２流入口４３と同じく、被加工材に向かう方向に向けられていて第２層流２６をレーザ光の光軸Ｏを中心として螺旋状に流す。さらに、分流突起６１は、第２実施形態における分流突起４１と同じく、レーザ光の光軸Ｏを含む縦断面においてレーザ光から離れる方向に向かって先細りに形成されている。

図４Ｂは、図４Ａの断面Ｅ−Ｅに対応するレーザ加工ヘッド１２の横断面図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１流入口６２は、レーザ光の光軸Ｏの方向における第１幅６４と、レーザ光の光軸Ｏと直交する方向における第２幅６５と、を有しており、第１幅６４が第２幅６５より小さくなるように形成されている。これにより、層状の流れ（第１層流２５）が生成され、乱流の発生が抑制される。また、第１流入口６２の第２幅６５は、レーザ光のビーム径Ｒより大きい。これにより、保護ウインド２３の表面に沿って平行に流れる第１層流２５がレーザ光のビーム径Ｒより大きい流れになり、保護ウインド２３におけるレーザ光の通過領域への粉塵の付着が抑制される。なお、第３実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２の他の構成は、第２実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成と同じであることに留意されたい。

第３実施形態におけるレーザ加工ヘッド１２によれば、保護ウインド２３がレーザ光の光軸Ｏに対して傾斜して配置されていることにより、保護ウインド２３への粉塵Ｐ６の衝突角度が浅くなる。第１層流２５が保護ウインド２３の上流から下流へ流れることにより、保護ウインド２３の下流に到達した第１層流２５は、レーザ加工ヘッド１２の内周面に浅い角度で当たり、被加工材に向かい易くなる。

図５は、図２Ｂ、図３Ｂ、及び図４Ｂにおいて説明したビーム径Ｒの算出方法を示す図である。この例では、レーザ加工装置が、直径１００μｍ及び開口数ＮＡ＝０．０８を有する光ファイバ７０と、焦点距離Ｆ＝１００ｍｍを有するコリメーションレンズ２１と、焦点距離Ｆ＝１００ｍｍを有する集光レンズ２２と、集光レンズ２２の下流に配置されていてレーザ光Ｂの光軸Ｏに対して傾斜して配置された保護ウインド２３と、保護ウインド２３の下流において集光レンズ２２から距離Ｌの位置に配置された流入口７１と、を備えている。

このときビーム広がり角をθとすると、ＮＡ（０．０８）＝sinθであるため、ビーム広がり角θは、arcsin（０．０８）≒４．５８９°となる。また、コリメーションレンズ２１と集光レンズ２２との間のビーム半径をＤとすると、Ｄ／１００ｍｍ＝tan（４．５８９°）であるため、斯かるビーム半径Ｄは約８．０３ｍｍとなる。さらに、流入口７１が配置される位置でのビーム半径をＤｓとすると、Ｄｓ／（１００ｍｍ−Ｌ）＝tan（４．５８９）であるため、斯かるビーム半径Ｄｓは約０．０８０２×（１００ｍｍ−Ｌ）となる。従って、図２Ｂ、図３Ｂ、及び図４Ｂにおいて説明したビーム径Ｒは、Ｄｓを２倍した０．１６０４×（１００ｍｍ−Ｌ）となる。ゆえに、レーザ光Ｂの光軸Ｏと直交する方向における流入口７１の幅は、斯かるビーム径Ｒより大きくなるように形成されることが好ましい。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１０レーザ加工装置
１１レーザ発振器
１２レーザ加工ヘッド
１３数値制御装置
１４駆動制御装置
１５被加工材
１６加工テーブル
１７流出口
２１コリメーションレンズ
２２集光レンズ
２３保護ウインド
２４ノズル
２５第１層流
２６第２層流
２７ガス流
２８整流突起
３０流入口
３１分流突起
３２第１幅
３３第２幅
３４第３幅
３５第４幅
３６分流突起
３７テーパ形状
３８台形状
４０流入口
４１分流突起
４２第１流入口
４３第２流入口
４４第１幅
４５第２幅
５０第１面
５１第２面
５２第３面
５３第４面
５４第５面
５５第６面
６０流入口
６１分流突起
６２第１流入口
６３第２流入口
６４第１幅
６５第２幅
Ｏ光軸
Ｐ１〜Ｐ７粉塵
Ｒビーム径
Ｆ焦点距離
Ｂレーザ光
Ｌ集光レンズから流入口までの距離
θ ビーム広がり角
Ｄコリメーションレンズと集光レンズとの間のビーム半径
Ｄｓ流入口が配置される位置でのビーム半径

Claims

保護ウインドの汚れを抑制するレーザ加工ヘッドであって、
レーザ光の光軸に対して傾斜して配置された保護ウインドと、
前記保護ウインドの下流に配置されていてガスを流入する流入口と、
前記ガスを、前記保護ウインドの表面に沿って平行に流れる第１層流と、被加工材に向かって流れる第２層流とに分流する分流突起と、
を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記レーザ光の光軸を中心として前記流入口と対向する位置に配置されている、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記レーザ光の光軸を含む断面において前記流入口に向かって先細るテーパ形状を有する、請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記レーザ光の光軸を含む断面において前記流入口に向かって先細るテーパ形状から台形状へ遷移する形状を有する、請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
前記流入口は、前記レーザ光の光軸の方向において第１幅を有しており、前記分流突起は、前記レーザ光の光軸の方向において第２幅を有しており、前記第１幅が前記第２幅より小さい、請求項３又は４に記載のレーザ加工ヘッド。
前記流入口は、前記レーザ光の光軸と直交する方向において第３幅を有しており、前記分流突起は、前記レーザ光の光軸と直交する方向において第４幅を有しており、前記第３幅及び前記第４幅がそれぞれ、前記レーザ光のビーム径より大きい、請求項３から５のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記流入口を、前記保護ウインドの表面と平行な方向と、前記被加工材へ向かう方向と、に分割して第１流入口及び第２流入口を形成する、請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１流入口が、前記保護ウインドの表面と平行な方向に向けられていて前記第１層流を前記保護ウインドの下流から上流へ流す、請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１流入口が、前記保護ウインドの表面と平行な方向に向けられていて前記第１層流を前記保護ウインドの上流から下流へ流す、請求項７に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第２流入口が、前記被加工材に向かう方向に向けられていて前記第２層流を前記レーザ光の光軸を中心として螺旋状に流す、請求項７から９のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が第１面と、前記第１面とは反対側の第２面とを有しており、前記分流突起の第１面が、前記分流突起の第１面に面する前記第１流入口の第３面と平行であり、前記分流突起の第２面が、前記分流突起の第２面に面する前記第２流入口の第４面と平行である、請求項７から１０のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第２流入口が、前記レーザ光の光軸を含む断面に対して傾斜した第５面及び第６面を有する、請求項７から１１のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記分流突起が、前記レーザ光の光軸を含む断面において前記レーザ光から離れる方向に向かって先細るテーパ形状を有している、請求項７から１２のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１流入口が、前記レーザ光の光軸の方向における第１幅と、前記レーザ光の光軸と直交する方向における第２幅と、を有し、前記第１幅が前記第２幅より小さい、請求項７から１３のいずれか一項に記載のレーザ加工ヘッド。
前記第１流入口の前記第２幅が前記レーザ光のビーム径より大きい、請求項１４に記載のレーザ加工ヘッド。