JP3623274B2 - レーザー加工装置の加工ヘッド - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザー加工装置の加工ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本発明に関連する従来の技術として特表平07−501266号がある。この従来の技術における基本的実施例を図6及び図7に示してある。
【0003】
図6に示した例では、被加工物(10)をその材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで表面を予熱するためのレーザービーム(23)が、可燃性ガス(12)(例えば酸素)を前記被加工物(10)に噴射するノズル(20)の内部を同軸に通過する様に設けられている。
【0004】
また図7に示した例では、予熱用のレーザービーム(23)は、その軸線(23’)が前記ノズル(20)の縦軸(20”)に対して切断進行方向(28)において、前方に角度αだけ傾斜して設けられている。このレーザービーム(23’)の焦点(22)は被加工物表面(11)の上方に設けられているので、ノズル(20)の縦軸(20”)を含む位置の被加工物表面(11)に楕円形のビームスポットを生じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
図6に示す様な上述の従来技術においては、可燃性ガス(12)が被加工物表面(11)に噴射される位置の周囲にレーザービーム(23)によって予熱される領域ができるので、ノズル(20)と被加工物(10)とを任意の方向に相対的に移動させることにより金属材料を切断をすることが可能ではある。しかし、このノズル(20)の中を可燃性ガス(12)とレーザービーム(23)とを同軸に通過させる構造においては、ノズル(20)内に供給される可燃性ガスの圧力の変動が集光レンズ(29)に変動的変形を与えるので、レーザービーム(23)の焦点位置(22)がランダムに変化して予熱温度の制御を難しくする。
【0006】
もし、ノズルの上部にレーザービーム(23)が透過可能で、ガスの圧力に耐えるウインドを設ければ、前記集光レンズ(29)のガス圧による変形は押さえられるが、この場合にはウインドによるレーザービーム(23)の反射及び透過によりレーザービーム(23)の減衰が発生する。さらに、このウインドをエネルギー密度の高い集光されたレーザービーム(23)が透過するため、ウインドが吸収するエネルギーでウインドが熱膨脹してレンズ効果を生じ、やはりレーザービーム(23)の焦点位置(22)に変動を与えるという問題が生じる。
【0007】
また図7に示した上述の従来技術においては、予熱用のレーザービーム(23)は、その軸線(23’)が前記ノズル(20)の縦軸(20”)に対して切断進行方向(28)において、楕円形のビームスポットとして被加工物表面(11)に照射されるので、予熱用のレーザービーム(23)の照射位置を切断進行方向(28)の変化に合わせて移動制御させる必要がある。
【0008】
本発明は上述の如き問題点に鑑みてなされたものであり、切断加工部の全周にほぼ円環状の予熱領域を形成可能なレーザービームを集光する光学系を設ける共に、予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない様に設け、任意の方向に対して精度の高い切断が可能なレーザー加工装置の加工ヘッドを提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドは、レーザー加工装置の加工ヘッドに対して相対的に移動する金属材料の表面を該金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱し、酸素ガスのジェットを前記温度に予熱された予熱領域に噴射して前記金属材料を切断する装置において、前記加工ヘッドのハウジング内部に導入されたレーザービームを該レーザービームの光軸中心において反射する円錐状の反射鏡を前記ハウジング内に設け、該反射鏡からの反射光を前記金属材料の表面の上方位置に収束可能な円環状の凹面鏡を前記反射鏡に対向させて設け、該凹面鏡からのレーザービームが通過可能な複数のレーザービーム通過孔を前記ハウジングの底部に設け、該ハウジングの底部を冷却する冷却手段を設けると共に、前記ハウジング底部に前記レーザービームの光軸中心と同軸に酸素ガスのジェットを噴射可能なガスジェット噴射ノズルを設け、該ガスジェット噴射ノズルとガス供給管路とに連通するガスチャンバーを前記ハウジング底部に設けてなるものである
【0010】
請求項2に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドは、請求項1に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドにおいて、前記円環状の凹面鏡を複数に分割して設け、該複数に分割して設けた凹面鏡から反射されるレーザービームの位置に合わせてレーザービーム通過孔を前記ハウジング底部に設けてなるものである
【0012】
【作用】
請求項1の如きレーザー加工装置の加工ヘッドとすることにより、切断加工部の前周にほぼ円環状の予熱領域を形成することが可能であり、予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない。また、凹面鏡が取り付けられていない部分のハウジングが吸収した熱も速やかに除去することができると共に、ガスジェット噴射ノズルから噴射されるガスの圧力変動を少なくすることができる
【0013】
請求項2の如きレーザー加工装置の加工ヘッドとすることにより、凹面鏡の一部が破損した場合、破損した凹面鏡のみを交換することができる。
【0015】
【実施例】
次に本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例について図面を参照しながら説明する。図1はレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例の縦断面図を示したものであり図2はこの加工ヘッドの斜視図である。
【0016】
さて、図1及び図2を参照するに、加工ヘッド1のハウジング3は底部5を備えた中空の円筒形状に形成してあり、このハウジング3の底部5にはこのハウジング内部に導入されたレーザービーム7をその光軸中心において反射する円錐状の反射鏡9が設けてある。
【0017】
また、上記反射鏡9からの反射光を被加工材となる金属材料11の表面13の上方位置dに収束可能な円環状の凹面鏡15を前記反射鏡9に対向させて設けてある。そして、この円環状の凹面鏡15で反射されたレーザービーム7’が通過可能な複数のレーザービーム通過孔17を前記ハウジング3の底部5に設けてある。
【0018】
さらに、ハウジング3の底部5には前記レーザービーム7の光軸中心19と同軸に酸素ガス21のジェット23を噴射可能なガスジェット噴射ノズル25を設けてある。このガスジェット噴射ノズル25が設てある前記ハウジング3の底部5には、酸素ガス21のガス供給管路27につながるガスチャンバー29が設けてある。
【0019】
また、前記円環状の凹面鏡15が設けられているハウジング3の筒部分には、ハウジング3を冷却するための環状の冷却液流路31を設けてある。この環状の冷却液流路31に冷却液を供給する冷却液供給口33と冷却液を排出する冷却液排出口35とが適宜な位置に設けてある。
【0020】
上記構成において、図示省略のレーザー光源からハウジング3の内部に導入されたレーザービーム7は、このレーザービーム7の光軸中心に設けた円錐状の反射鏡9により、その周囲に設けた円環状の凹面鏡15に反射される。そして、この凹面鏡15により再度反射されたレーザービーム7’はハウジング3の底部5に設けた複数のレーザービーム通過孔17を通過して被加工材となる金属材料11の表面13に照射されることになる。このとき前記凹面鏡15の焦点を前記金属材料11の表面13の上方位置dに収束する様に設けてあるので、この金属材料11の表面13にレーザービーム7’がほぼ円環状に拡散した予熱領域37が形成されることになる。
【0021】
そして、被加工材となる金属材料11の表面13の予熱領域37はレーザービーム7’により、その金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱されることになる。例えば冷間圧延鋼板のSPCの場合、発火燃焼温度は約1,200℃であり、金属材料11の表面13の予熱領域37への入力エネルギーを4〜5kW程度にすれば、深さ0.5mm程度までを数秒以内で1,200℃に予熱することが可能である。
【0022】
或いは、出力数kWのレーザーを用いる場合でも、材質に応じて材料表面で6W/mm〜90W/mmのパワー密度を有するように、レーザーの焦点位置からの焦点はずし量を選ぶことによって、上記の条件に予熱することができる。なお従来の1つのレーザー光で行った場合の実験では、同パワー密度は30W/mm程度であった。
【0023】
上述の様に金属材料11の表面13の予熱領域37を、その金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱すると同時に、圧力4〜20Bar(約0.4MPa〜2MPa)の酸素ガスを噴射ノズル25から金属材料11の表面13の切断加工部39に噴射させながら金属材料11を加工ヘッドに対して相対的に移動させることにより被加工材となる金属材料11を任意の方向に切断することが可能である。
【0024】
なお、前記ガスジェット噴射ノズル25の近傍に設けた前記ガスチャンバー29には、ガスジェット噴射ノズル25での消費量より多い量の酸素ガスが常に供給され加圧貯留してある。そのため、設定された圧力に対して圧力変動がほとんどない安定した圧力の酸素ガスを噴射することができる。
【0025】
また、前記円錐状の反射鏡9の頂角は90度であるが、使用するレーザービーム7の直径の大小によて適宜な頂角を選択することが可能である。例えば図3は、レーザービーム7の直径が小さい場合で、頂角30度の反射鏡9を使用した例である。図4はレーザービーム7の直径が大きい場合で、頂角120度の反射鏡9を使用した例である。なお、当然ながら反射鏡9の頂角を小さくすると反射されるレーザービーム7’の幅が大きくなり集光の仕方が短焦点レンズと相当の作用をし、逆に反射鏡9の頂角を大きくすると反射されるレーザービーム7’の幅が小さくなるので、長焦点レンズの相当の作用をする。なお凹面鏡のサイズも反射されるレーザービームの幅に合わせたものを使用することになる。
【0026】
なおまた、前記凹面鏡15は一体的な凹面鏡の代わりに複数の凹面鏡に分割して設けても同一の作用と効果を得ることが可能である。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、請求項1に記載の発明によれば、切断加工部の全周にほぼ円環状の予熱領域を形成することが可能であり、また予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない。従って金属材料を加工ヘッドに対して相対的に移動させることにより金属材料を任意の方向に切断することができると共に、酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばないので光学系の熱変形による予熱領域の温度変動が生じにくい。また、凹面鏡が取り付けられていない部分のハウジングが吸収した熱を速やかに除去することができるので光学系に対する熱影響を心配する必要がない
【0028】
請求項2に記載の発明によれば、凹面鏡の一部が破損した場合、破損した凹面鏡のみを交換できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例。
【図2】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例の斜視図。
【図3】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例における円錐状の反射鏡に頂角90度の円錐状の反射鏡を用いた例。
【図4】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例における円錐状の反射鏡に頂角120度の円錐状の反射鏡を用いた例。
【図5】金属材料の表面の予熱領域と切断加工部との位置関係を示した拡大図。
【図6】従来技術の実施例。
【図7】従来技術の別の実施例。
【符号の説明】
1 加工ヘッド
3 ハウジング
5 底部
7,7’ レーザービーム
9 反射鏡
11 金属材料
13 表面
15 凹面鏡
17 レーザービーム通過孔
19 光軸中心
21 酸素ガス
23 ジェット
25 ガスジェット噴射ノズル
27 ガス供給管路
29 ガスチャンバー
31 冷却液流路
33 冷却液供給口
35 冷却液排出口
37 予熱領域
39 切断加工部

Claims (2)

  1. レーザー加工装置の加工ヘッドに対して相対的に移動する金属材料の表面を該金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱し、酸素ガスのジェットを前記温度に予熱された予熱領域に噴射して前記金属材料を切断する装置において、前記加工ヘッドのハウジング内部に導入されたレーザービームを該レーザービームの光軸中心において反射する円錐状の反射鏡を前記ハウジング内に設け、該反射鏡からの反射光を前記金属材料の表面の上方位置に収束可能な円環状の凹面鏡を前記反射鏡に対向させて設け、該凹面鏡からのレーザービームが通過可能な複数のレーザービーム通過孔を前記ハウジングの底部に設け、該ハウジングの底部を冷却する冷却手段を設けると共に、該ハウジング底部に前記レーザービームの光軸中心と同軸に酸素ガスのジェットを噴射可能なガスジェット噴射ノズルを設け、該ガスジェット噴射ノズルとガス供給管路とに連通するガスチャンバーを前記ハウジング底部に設けたことを特徴とするレーザー加工装置の加工ヘッド。
  2. 請求項1に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドにおいて、前記円環状の凹面鏡を複数に分割して設け、該複数に分割して設けた凹面鏡から反射されるレーザービームの位置に合わせてレーザービーム通過孔を前記ハウジング底部に設けたことを特徴とするレーザー加工装置の加工ヘッド
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