JP3905732B2 - レーザ加工ヘッド、これを用いるレーザ切断装置及びレーザ切断方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工ヘッド、これを用いるレーザ切断装置及びレーザ切断方法に関し、特に厚板の切断に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザビームが有する大きなエネルギーを利用した鋼材の切断及び溶接が行われている。これは、図９に示すように、例えばＹＡＧレーザ発振器が発振するレーザ光を光ファイバ１で加工位置近傍まで導き、光ファイバ１の端面から出射したレーザ光２を集光光学系３で集光して絞り込んだ小径の集光レーザビーム４を得、この集光レーザビーム４を被加工部材５である鋼材等の表面に照射するものである。このとき、被加工部材５の加工部位が前記集光光学系３の焦点Ｆの位置に占位するよう集光光学系３を含むレーザ加工ヘッドの高さ位置を調整してある。集光レーザビーム４のエネルギー密度が最大の位置で所定の加工（レーザ切断及びレーザ溶接等）を行うためである。ちなみに、加工部位では、例えば０．５〜１ｍｍφ程度にまで絞ったレーザビームを得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術においては、レーザ加工ヘッドに内蔵する集光光学系３から出射した集光レーザビーム４を、焦点Ｆの位置に占位する被加工部材５の例えば表面等、加工部位に集光させているので、被加工部材５の板厚が薄い場合は、さほど不都合はないが、板厚が厚くなると問題が生じる。集光レーザビーム４は焦点Ｆの位置で最も小径になるが、この焦点Ｆの位置から離れるにつれ、その径が漸増するビームであるからである。
【０００４】
具体的には、レーザ切断及びレーザ溶接の際、次の様な問題を生起する。
【０００５】
＜レーザ切断の場合＞
１） 焦点Ｆの位置を過ぎると集光レーザビーム４の径が漸増するので、被加工部材５の途中でカーフ幅が広がる等、カーフ幅が一様とはならずテーパ形状となってしまう。
２） 当該切断には、アシストガスとして、通常Ｏ2 ガス又はＯ2 ＋Ｎ2 の混合ガス等を使用しており、このアシストガスは、図１０に示すようなノズル６を介して加工部位に噴射される。このノズル６は、レーザ加工へッド７の先端部に形成してあり、集光レーザビーム４と同軸で且つこの集光レーザビーム４の形状に合わせた形状のテーパ部６ａをその内周面に有している。この結果、開口部６ｂが小径であることとも相俟って開口部６ｂから噴射されるアシストガスの流量を十分なものとするため、アシストガスのガス圧を高くせざるを得なかった。この結果、被加工部材５の裏面でのアシストガスの拡散領域が広範囲に及び、この裏面に保温材（アスベスト等）等、可燃性の他の部材が貼着されている場合には、この他の部材が燃え広がるため、例えば、かかる部材を鋼材等の被加工部材５から取り外した後、この被加工部材５のレーザ切断を行う等、別途の作業が必要になる。このため、当該切断作業の作業能率の低下を招来してしまう。
【０００６】
＜レーザ溶接の場合＞
１） 図１１に示すように、集光レーザビーム４の集光角θのため、厚板である被加工部材５を多層溶接する場合には、被加工部材５の表面近傍における集光レーザビーム４の蹴りを防ぐため、開先幅Ｗ0 を広く採る必要がある。この結果、溶接パス数及び層数の増大を招来し、溶接作業の効率を悪化させる原因となるばかりでなく、溶接歪等も生起し易くなる。なお、図中、８は溶接ビードである。
２） 図１２に示すように、溶接面が凹凸形状（三次元の凹凸曲面等）となっている場合、集光光学系３（図９参照。）で集光した集光レーザビーム４の焦点Ｆの位置が加工部位に一致するよう当該レーザ加工ヘッドの位置及び姿勢を逐次制御する必要がある。この結果、作業性も悪く、またこれに伴う制御自体も複雑なものとなっていた。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、細径の平行レーザビームを形成し、厚板であっても一定のカーフ幅で切断することができるレーザ加工ヘッド及びこれを用いる切断・溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１） 入射したレーザ光を集光して出射する集光光学系と、この集光光学系で集光して絞り込んだ集光レーザビームを入射して、これを平行光である平行レーザビームに成形して出射する平行光光学系とを有することを特徴とするレーザ加工ヘッドであって、
当該レーザ加工ヘッドの先端部に、被加工部材に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設け、このダイバージェントノズルは内部に狭窄部と開口に向かって前記狭窄部に連続する拡幅部を有すること、
前記平行光学系によって成形された前記平行レーザビームは、前記ダイバージェントノズルの内部を通過して前記被加工部材に照射され、且つ、前記狭窄部よりも細くて前記狭窄部との間に隙間を有すること。
【００１０】
２） 上記１）に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記被加工部材は裏面側に可燃性の部材が一体化されたものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【００１３】
３） 上記１）に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
集光光学系は、これが出射する集光レーザビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成したこと。
【００１４】
４） 上記１）に記載するレーザ加工ヘッドと、
被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、
状態検出センサの出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、
前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、
加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、
前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御手段とを有すること。
【００１８】
５） 上記１）に記載のレーザ加工ヘッドを用いたレーザ切断方法であって、前記集光光学系でレーザ光を集光して絞り込んだ集光レーザビームを前記平行光光学系で平行光である平行レーザビームに成形し、この平行レーザビームを前記ダイバージェントノズルの内部を通過させ、前記ダイバージェントノズルから噴射するアシストガスとともに被加工部材の切断部位に供給してこの被加工部材を切断すること。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその平行光光学系１１を抽出して示す拡大図である。両図に示すように、光ファイバ１はレーザ発振器から出射されたレーザ光を当該レーザ加工ヘッド１７の位置迄導くもので、その先端部からレーザ光２を照射する。集光光学系３は、入射したレーザ光２を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４を出射する。本形態における集光光学系３は、これが出射する集光レーザビーム４の収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成してある。このことにより、後述する平行光光学系１１の出射光として得る平行レーザビーム１２の平行度を良好に保持し得る。
【００２２】
平行光光学系１１は、集光光学系３で集光して絞り込んだ集光レーザビーム４を入射して、これを平行光である平行レーザビーム１２に成形して出射する。この平行光光学系１１は、図１（ｂ）に拡大して示すように、例えば平凹レンズ１１ａで好適に形成し得る。また、両凹レンズであっても勿論良い。図中、１１ｂは保護ガラスである。
【００２３】
ダイバージェントノズル１３は、その内部に狭窄部１３ａ及び開口部１３ｂに向かって狭窄部１３ａに連続する拡幅部１３ｃを有して当該レーザ加工ヘッド１７の先端部に形成してあり、その内部の平行レーザビーム１２との間の隙間を介して被加工部材５に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するようになっている。このダイバージェントノズル１３を介して噴射するアシストガスは平行な整流となり平行レーザビーム１２に沿う、長い平行なガス流を形成することができる。
【００２４】
かかるレーザ加工ヘッド１７を用いれば、各横断面におけるエネルギー密度がほぼ同じ平行レーザビーム１２を得ることができるので、被加工部材５が厚板の場合であっても、その厚さ方向に同様のエネルギー密度のレーザ光を照射できる。また、ダイバージェントノズル１３を介してアシストガスを供給した場合には、このアシストガスを被加工部材５の厚さ方向に均一に供給することができる。
【００２５】
なお、本形態の加工レーザヘッド１７はレーザ溶接、特に厚板のレーザ溶接に好適に適用することができるが、この場合には、当然アシストガスを供給するためのダイバージェントノズル１３は不要となる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ加工ヘッド２７は、図１に示すレーザ加工ヘッド１７に平行レーザビーム１２の揺動機構を追加したものである。そこで、図２中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
本形態に係るレーザ加工ヘッド２７においては、平行レーザビーム１２の光路の途中に、反射体である全反射ミラー２１が配設してあり、この全反射ミラー２１を駆動源２２で回動軸２３を回動中心として時計方向及び反時計方向に回動して揺動するようになっている。
【００２８】
当該レーザ加工ヘッド２７を切断用のレーザ加工ヘッド２７として使用する場合、揺動方向はレーザ加工ヘッド２７の走行方向（図中の矢印で示すその右から左方向）に沿う方向とする。すなわち、当該切断作業の最初は、平行レーザビーム１２を直角下方に向けて切断を開始し、切断の進行に伴う加工の状態に応じ適宜走行方向の前後に振るようにする。
【００２９】
このことにより、本形態に係るレーザ加工ヘッドを用いるレーザ切断では、切断能力を向上させることができる。すなわち、被加工部材５の厚さ方向の切断線５ａを、被加工部材５の表面に対してほぼ直角とすることができ、この切断線５ａを可及的に短縮することができる。ちなみに、かかる揺動を行わない場合、図２（ｂ）に示すように、切断線５ｂは、大きくカーブしてしまう。そして、かかる傾向は、被加工部材５の板厚が厚くなれば、厚くなる程顕著になる。
【００３０】
また、本形態によれば、カーフ内に残留したドロスを再切断して除去可能であるため、Ｏ2 ＋Ｎ2 の混合ガスであるアシストガスを用いるレーザ切断において、Ｏ2 の量を低減することにより小カーフ幅切断を実現することができる。
【００３１】
当該レーザ加工ヘッド２７を溶接用のレーザ加工ヘッド２７として使用する場合、揺動方向はレーザ加工ヘッド２７の走行方向と直角な方向（溶接線の幅方向）とする。このように、溶接線の幅方向にオッシレートすることにより、開先の両エッジ部にも十分な熱量を供給することができ、その分溶接品質の向上を図ることができる。
【００３２】
＜第３の実施の形態＞
図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ加工ヘッド３７は、図１に示すレーザ加工ヘッド１７にシリンドリカルレンズ３１を追加したものである。そこで、図３中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３３】
本形態に係るレーザ加工ヘッド３７においては、平行レーザビーム１２の光路の途中にシリンドリカルレンズ３１が配設してあり、その出射光として線状の線状レーザビーム３２を得る。さらに詳言すると、図３（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３１には、横断面形状が円形の平行レーザビーム１２が入射される。この平行レーザビーム１２は、シリンドリカルレンズ３１を通過することにより線状レーザビーム３２となる。この線状レーザビーム３２は、長さが平行レーザビーム１２の直径と同長で、幅が、シリンドリカルレンズ３１から離れるにつれ、図３（ｂ）のロ）、ハ）、ニ）に示すように漸減する横断面形状が長方形のレーザビームである。すなわち、シリンドリカルレンズ３１の焦点位置では、図３（ｂ）のニ）に示すように、最も幅狭のエネルギ密度が最大の線状レーザビーム３２が得られる。
【００３４】
当該レーザ加工ヘッド３７を切断用のレーザ加工ヘッド３７として使用する場合、線状レーザビーム３２の長手方向と当該レーザ加工ヘッド３７との走行方向を一致させる。かかる状態で、切断を行うことにより、線状レーザビーム３２の長手方向を切断方向としているので、切断遅れの発生が懸念される場合でも線状レーザビーム３２の後部で所定位置の切断を行うことができ、この切断遅れを未然に回避できる。
【００３５】
上述の如くレーザ加工ヘッドに関して３つの実施の形態を説明したが、必要に応じ、各加工ヘッドを組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、レーザ加工ヘッド２７、３７をレーザ切断に用いる場合には、アシストガスを噴射するためのノズルが必要になる。レーザ加工ヘッド２７、３７におけるノズルをレーザ加工ヘッド１７のダイバージェントノズル１３で構成することも可能であり、この場合にはアシストガスの供給に関してレーザ加工ヘッド１７と同様の作用・効果を得る。また、レーザ加工ヘッド２７にシリンドリカルレンズ３１を組み合わせても良い。この場合、揺動による線状レーザビーム３２の移動で切断速度の更なる高速化を実現し得る。
【００３６】
＜第４の実施の形態＞
図４は本発明の第４の実施の形態に係るレーザ切断装置を示すブロック線図である。同図に示すように、加工ヘッドＩは、上記レーザ加工ヘッド１７、３７又はこれらの組み合わせヘッドである。すなわち、平行レーザビーム１２又は線状レーザビーム３２を被加工部材５に向けて照射するものである。状態検出センサ４１、４２は、被加工部材５の上方及び下方に配設され、被加工部材５の切断部位の状態を検出するものである。すなわち、この場合の切断部位の状態は、この部分から発する光の光量、音又はこの部分の画像情報で把握することができ、これを被加工部材５の表面及び裏面に関して取り込んでいる。状態検出センサ４１、４２は、必ずしも上下に設ける必要はなく、場合によっては上方又は下方の状態検出センサ４２は省略することができる。データ解析装置４３は、状態検出センサ４１、４２の出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力する。レーザ制御装置４４は、前記加工ヘッドＩに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器４５の出力、波形等を、前記データ解析装置４３の情報に基づき制御する。すなわち、前記データ解析装置４３の情報に基づき、被加工部材５の板厚、加工ヘッドＩの移動速度等をパラメータとして最適な強度のレーザ光が出力されるよう制御する。光ファイバ４６はレーザ発振器４５が照射したレーザ光を加工ヘッドＩに導入するためのものである。アシストガス供給装置４７は、加工ヘッドＩの先端部から被加工部材５の切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給する。アシストガス制御装置４８は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給装置４７を介して供給するアシストガスの供給量等を制御する。加工ヘッド走行制御装置４９は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づき加工ヘッドＩを被加工部材５の切断線に沿って走行させる駆動源５０の駆動速度等を制御する。ここで、加工ヘッド走行制御装置４９は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づき所定の走行制御を行う必要はなく、データ解析装置４３からは独立した速度制御系とすることも可能である。この場合は、加工ヘッド走行制御装置４９は、予め設定された速度で加工ヘッドＩが走行するよう制御する。
【００３７】
かかるレーザ切断装置においては、駆動源５０で加工ヘッドＩを走行させながらアシストガスとともに平行レーザビーム１２又は線状レーザビーム３２を被加工部材５の切断線に沿って照射する。このとき平行レーザビーム１２は被加工部材５の板厚方向に関してほぼ同一のエネルギー密度を有するので、被加工部材５が厚板であっても良好にこれを切断することができる。また、線状レーザビーム３２の場合は、加工部位が狭隘な部分にあっても遠方から効率良く所定の切断を行うことができる。
【００３８】
すなわち、レーザ光２（図１参照。）を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４（図１参照。）を平行光である平行レーザビーム１２に成形することで、被加工部材５が厚板であっても、平行レーザビーム１２をアシストガスとともに被加工部材５の切断部位に供給して良好に被加工部材５を切断することができる。
【００３９】
ところで、近年、レーザ発振器４５は大出力化しており、したがってレーザビームの径を、例えば１ｍｍφ程度に迄絞り込まないで、例えば５ｍｍφ程度の平行レーザビーム１２としても十分大きな切断エネルギーを得ることができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態においては平行レーザビーム１２を利用しているので、従来の如き集光レーザビーム４に較べアシストガスを噴射するためのノズルの形状に自由度がある。この結果、アシストガスのガス圧を従来に較べ低減しても十分な酸素を供給することができる。このようにガス圧を低くした場合には、被加工部材５の裏面側に抜けるアシトスガスのガス圧も低減され、この裏面側に可燃性の部材、例えばアスベスト等の保温材等が貼着されていても、これが燃え広がることはない。このため、被加工部材５と可燃性の部材とを一体的に切断することも可能になる。これにより、厚板の鋼材とアスベスト等の保温材が一体化された部分を多く有する原子炉の解体に適用してその作業性を飛躍的に向上させることができる。
【００４１】
＜参考例＞
図５は本発明の参考例に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。同図に示すように、加工ヘッドIIは、上記レーザ加工ヘッド１７を用いている。すなわち、図４に示すレーザ切断装置と同様に、平行レーザビーム１２を被加工部材５に向けて照射するものであり、アシストガスの供給系を除去し、シールドガスの供給系及びフィラワイヤの供給系を設けた以外は、図４に示すレーザ切断装置と同様の構成となる。そこで、図５中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００４２】
シールドガス供給装置５１は、平行レーザビーム１２及びフィラワイヤを囲繞するよう、シールドガスを加工ヘッドIIの先端部から被加工部材５の切断部位に向けて噴射する。シールドガス制御装置５２は、データ解析装置４３が出力する溶接部位の情報に基づきシールドガス供給装置５１を介して供給するシールドガスの供給量等を制御する。フィラワイヤ供給装置５３は、被加工部材５の溶接部位にフィラワイヤを供給するものである。フィラワイヤ供給制御装置５４は、データ解析装置４３が出力する溶接部位の情報に基づきフィラワイヤ供給装置５３を介して供給するフィラワイヤの供給速度等を制御する。
【００４３】
かかるレーザ溶接装置においては、駆動源５０で加工ヘッドIIを走行させながらフィラワイヤとともに平行レーザビーム１２を被加工部材５の溶接線に沿って照射する。このとき平行レーザビーム１２は被加工部材５の板厚方向に関してほぼ同一のエネルギー密度を有するばかりでなく、横断面の形状におけるビード径がほぼ同一であるので、図６に示すように、被加工部材５の板厚が厚くても、この被加工部材５の板厚方向の何れの位置でも同様の開先幅Ｗ0 とすることができる。このため、開先幅Ｗ0 を可及的に小さくすることができ、溶接層数及び溶接パス数を可及的に低減し得る。なお、図６中、８は溶接ビードである。
【００４４】
また、図９に示すように、溶接面が凹凸形状（三次元の凹凸曲面等）となっている場合でも、加工ヘッドIIの高さ位置を調節することなく同一高さで溶接作業を行うことができる。平行レーザビーム１２は被加工部材５の高さ方向の幅がほぼ同一であるからである。この結果、上記凹凸形状等の複雑な形状であっても、複雑な加工ヘッドIIの高さ位置制御を行う必要もなく、高効率の溶接作業を実施し得る。
【００４５】
すなわち、レーザ光２（図１参照。）を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４（図１参照。）を平行光である平行レーザビーム１２に成形することで、被加工部材５が厚板であっても、平行レーザビーム１２をフィラワイヤとともに被加工部材５の溶接部位に供給して良好に被加工部材５を溶接することができる。
【００４６】
＜第５の実施の形態＞
図８は本発明の第５の実施の形態に係る平行レーザビーム１２の揺動機構を有するレーザ切断装置及び溶接装置の図４及び図５に追加する部分を示すブロック線図である。すなわち、同図に示す、揺動制御装置６１、駆動源２２及び全反射ミラー２１を図４及び図５に示す装置に追加している。長焦点光学系６２は、集光光学系３（図１参照。）及び平行光光学系１１（図１参照。）を合わせたものである。
【００４７】
ここで、当該揺動機構を図４に示すレーザ切断装置に適用する場合、揺動制御装置６１は、加工ヘッド走行制御装置４９が出力する加工ヘッドＩの走行速度指令に基づき加工ヘッドＩの走行と同期して平行レーザビーム１２を加工ヘッドＩの走行方向に振るよう前記全反射ミラー２１の揺動を制御する。一方、図５に示すレーザ溶接装置に適用する場合には、加工ヘッド走行制御装置４９が出力する加工ヘッドIIの走行速度指令に基づき加工ヘッドIIの走行と同期して平行レーザビーム１２を溶接部位の幅方向に振るよう全反射ミラー２１の揺動を制御する。
【００４８】
かくして、レーザ切断装置に追加した場合は、切断線５ａ（図２参照。）の直線化により、その切断速度の向上に資することができる。また、溶接装置に追加した場合には、開先の端部にも十分な熱を供給することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕及び〔請求項２〕に記載する発明は、入射したレーザ光を集光して出射する集光光学系と、この集光光学系で集光して絞り込んだ集光レーザビームを入射して、これを平行光である平行レーザビームに成形して出射する平行光光学系とを有することを特徴とするレーザ加工ヘッドであって、当該レーザ加工ヘッドの先端部に、被加工部材に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設け、このダイバージェントノズルは内部に狭窄部と開口に向かって前記狭窄部に連続する拡幅部を有すること、前記平行光学系によって成形された前記平行レーザビームは、前記ダイバージェントノズルの内部を通過して前記被加工部材に照射され、且つ、前記狭窄部よりも細くて前記狭窄部との間に隙間を有するので、
軸方向に亘り均一をエネルギー密度を有する平行レーザビームを得ることができる。この結果、厚板の切断、溶接に適用して最適なものとなり、これらの作業を迅速且つ簡便に進めることができる。また、切断に用いる場合には、アシストガスを噴射するためのノズルが必要になるが、このノズルの形状の自由度が増すので、ノズル回りの形状を合理的なものとすることができる。
また、レーザ加工ヘッドの先端部にアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設けたので、
ダイバージェントノズルの整流効果により、軸方向に均一なアシストガスの流れを形成することができ、板厚が厚い被加工部材であってもその板厚方向に十分なアシストガスを供給することができ、良好なレーザ切断に資することができる。
【００５３】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、集光光学系は、これが出射する集光レーザビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成したので、
平行度の高い良質の平行レーザビームを得ることができ、〔請求項１〕に記載する発明の作用・効果を確実且つ顕著なものとすることができる。
【００５４】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドと、被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、状態検出センサの出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御手段とを有するので、
レーザ切断において、〔請求項１〕に記載する加工ヘッドが有する作用・効果を得ることができる。この結果、被加工部材の板厚が厚い場合でも良好にこれを切断し得る。さらに、アシストガスを噴射するためのノズルの形状に自由度があり、アシストガスのガス圧を従来に較べ低減しても十分な酸素を供給することができる。この結果、被加工部材の裏面側に抜けるアシトスガスの拡散の程度も低減され、この裏面側に可燃性の部材、例えばアスベスト等の保温材等が貼着されていても、これが燃え広がることはない。このため、被加工部材と可燃性の部材とを一体的に切断することも可能になり、当該切断作業の効率の飛躍的な向上を図ることができる。
【００５５】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項３〕に記載するレーザ加工ヘッドと、被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、状態検出センサの出力信号を解析して切断部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御装置と、加工ヘッド走行制御装置が出力する加工ヘッドの走行速度指令に基づき加工ヘッドの走行と同期して平行レーザビームを加工ヘッドの走行方向に振るよう前記加工ヘッドの反射体の揺動を制御する揺動制御手段とを有するので、
〔請求項６〕に記載するレーザ切断装置の作用・効果に加え、被加工部材に照射するレーザビームを切断方向に振ることができる。この結果、板厚方向において切断線の直線化を図ることができ、これにより切断作業の迅速化を達成し得る。
【００５８】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載のレーザ加工ヘッドを用いたレーザ切断方法であって、前記集光光学系でレーザ光を集光して絞り込んだ集光レーザビームを前記平行光光学系で平行光である平行レーザビームに成形し、この平行レーザビームを前記ダイバージェントノズルの内部を通過させ、前記ダイバージェントノズルから噴射するアシストガスとともに被加工部材の切断部位に供給してこの被加工部材を切断するので、〔請求項１〕に記載する発明と同様の効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその平行光光学系を抽出して示す拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はこの場合の被加工部材の切断線の様子を示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はそのビームの形状を示す説明図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ切断装置を示すブロック線図である。
【図５】 本発明の参考例に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。
【図６】図５に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図７】図５に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図８】図４及び図５に示す装置に追加して有用な揺動機構を示すブロック線図である。
【図９】従来技術に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。
【図１０】図９に示すレーザ加工ヘッドのノズル部分の一例を示す説明図である。
【図１１】図９に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図１２】図９に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ
２ レーザ光
３ 集光光学系
４ 集光レーザビーム
５ 被加工部材
１１ 平行光光学系
１２ 平行レーザビーム
１３ ダイバージェントノズル
１７ レーザ加工ヘッド
２１ 全反射ミラー
２２ 駆動源
２７ レーザ加工ヘッド
３１ シリンドリカルレンズ
３２ 線状レーザビーム
３７ レーザ加工ヘッド
４１ 状態検出センサ
４２ 状態検出センサ
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工ヘッド、これを用いるレーザ切断装置及びレーザ切断方法に関し、特に厚板の切断に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザビームが有する大きなエネルギーを利用した鋼材の切断及び溶接が行われている。これは、図９に示すように、例えばＹＡＧレーザ発振器が発振するレーザ光を光ファイバ１で加工位置近傍まで導き、光ファイバ１の端面から出射したレーザ光２を集光光学系３で集光して絞り込んだ小径の集光レーザビーム４を得、この集光レーザビーム４を被加工部材５である鋼材等の表面に照射するものである。このとき、被加工部材５の加工部位が前記集光光学系３の焦点Ｆの位置に占位するよう集光光学系３を含むレーザ加工ヘッドの高さ位置を調整してある。集光レーザビーム４のエネルギー密度が最大の位置で所定の加工（レーザ切断及びレーザ溶接等）を行うためである。ちなみに、加工部位では、例えば０．５〜１ｍｍφ程度にまで絞ったレーザビームを得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術においては、レーザ加工ヘッドに内蔵する集光光学系３から出射した集光レーザビーム４を、焦点Ｆの位置に占位する被加工部材５の例えば表面等、加工部位に集光させているので、被加工部材５の板厚が薄い場合は、さほど不都合はないが、板厚が厚くなると問題が生じる。集光レーザビーム４は焦点Ｆの位置で最も小径になるが、この焦点Ｆの位置から離れるにつれ、その径が漸増するビームであるからである。
【０００４】
具体的には、レーザ切断及びレーザ溶接の際、次の様な問題を生起する。
【０００５】
＜レーザ切断の場合＞
１） 焦点Ｆの位置を過ぎると集光レーザビーム４の径が漸増するので、被加工部材５の途中でカーフ幅が広がる等、カーフ幅が一様とはならずテーパ形状となってしまう。
２） 当該切断には、アシストガスとして、通常Ｏ2 ガス又はＯ2 ＋Ｎ2 の混合ガス等を使用しており、このアシストガスは、図１０に示すようなノズル６を介して加工部位に噴射される。このノズル６は、レーザ加工へッド７の先端部に形成してあり、集光レーザビーム４と同軸で且つこの集光レーザビーム４の形状に合わせた形状のテーパ部６ａをその内周面に有している。この結果、開口部６ｂが小径であることとも相俟って開口部６ｂから噴射されるアシストガスの流量を十分なものとするため、アシストガスのガス圧を高くせざるを得なかった。この結果、被加工部材５の裏面でのアシストガスの拡散領域が広範囲に及び、この裏面に保温材（アスベスト等）等、可燃性の他の部材が貼着されている場合には、この他の部材が燃え広がるため、例えば、かかる部材を鋼材等の被加工部材５から取り外した後、この被加工部材５のレーザ切断を行う等、別途の作業が必要になる。このため、当該切断作業の作業能率の低下を招来してしまう。
【０００６】
＜レーザ溶接の場合＞
１） 図１１に示すように、集光レーザビーム４の集光角θのため、厚板である被加工部材５を多層溶接する場合には、被加工部材５の表面近傍における集光レーザビーム４の蹴りを防ぐため、開先幅Ｗ0 を広く採る必要がある。この結果、溶接パス数及び層数の増大を招来し、溶接作業の効率を悪化させる原因となるばかりでなく、溶接歪等も生起し易くなる。なお、図中、８は溶接ビードである。
２） 図１２に示すように、溶接面が凹凸形状（三次元の凹凸曲面等）となっている場合、集光光学系３（図９参照。）で集光した集光レーザビーム４の焦点Ｆの位置が加工部位に一致するよう当該レーザ加工ヘッドの位置及び姿勢を逐次制御する必要がある。この結果、作業性も悪く、またこれに伴う制御自体も複雑なものとなっていた。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、細径の平行レーザビームを形成し、厚板であっても一定のカーフ幅で切断することができるレーザ加工ヘッド及びこれを用いる切断・溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１） 入射したレーザ光を集光して出射する集光光学系と、この集光光学系で集光して絞り込んだ集光レーザビームを入射して、これを平行光である平行レーザビームに成形して出射する平行光光学系とを有することを特徴とするレーザ加工ヘッドであって、
当該レーザ加工ヘッドの先端部に、被加工部材に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設け、このダイバージェントノズルは内部に狭窄部と開口に向かって前記狭窄部に連続する拡幅部を有すること、
前記平行光学系によって成形された前記平行レーザビームは、前記ダイバージェントノズルの内部を通過して前記被加工部材に照射され、且つ、前記狭窄部よりも細くて前記狭窄部との間に隙間を有すること。
【００１０】
２） 上記１）に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記被加工部材は裏面側に可燃性の部材が一体化されたものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【００１３】
３） 上記１）に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
集光光学系は、これが出射する集光レーザビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成したこと。
【００１４】
４） 上記１）に記載するレーザ加工ヘッドと、
被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、
状態検出センサの出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、
前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、
加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、
前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御手段とを有すること。
【００１８】
５） 上記１）に記載のレーザ加工ヘッドを用いたレーザ切断方法であって、前記集光光学系でレーザ光を集光して絞り込んだ集光レーザビームを前記平行光光学系で平行光である平行レーザビームに成形し、この平行レーザビームを前記ダイバージェントノズルの内部を通過させ、前記ダイバージェントノズルから噴射するアシストガスとともに被加工部材の切断部位に供給してこの被加工部材を切断すること。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２１】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその平行光光学系１１を抽出して示す拡大図である。両図に示すように、光ファイバ１はレーザ発振器から出射されたレーザ光を当該レーザ加工ヘッド１７の位置迄導くもので、その先端部からレーザ光２を照射する。集光光学系３は、入射したレーザ光２を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４を出射する。本形態における集光光学系３は、これが出射する集光レーザビーム４の収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成してある。このことにより、後述する平行光光学系１１の出射光として得る平行レーザビーム１２の平行度を良好に保持し得る。
【００２２】
平行光光学系１１は、集光光学系３で集光して絞り込んだ集光レーザビーム４を入射して、これを平行光である平行レーザビーム１２に成形して出射する。この平行光光学系１１は、図１（ｂ）に拡大して示すように、例えば平凹レンズ１１ａで好適に形成し得る。また、両凹レンズであっても勿論良い。図中、１１ｂは保護ガラスである。
【００２３】
ダイバージェントノズル１３は、その内部に狭窄部１３ａ及び開口部１３ｂに向かって狭窄部１３ａに連続する拡幅部１３ｃを有して当該レーザ加工ヘッド１７の先端部に形成してあり、その内部の平行レーザビーム１２との間の隙間を介して被加工部材５に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するようになっている。このダイバージェントノズル１３を介して噴射するアシストガスは平行な整流となり平行レーザビーム１２に沿う、長い平行なガス流を形成することができる。
【００２４】
かかるレーザ加工ヘッド１７を用いれば、各横断面におけるエネルギー密度がほぼ同じ平行レーザビーム１２を得ることができるので、被加工部材５が厚板の場合であっても、その厚さ方向に同様のエネルギー密度のレーザ光を照射できる。また、ダイバージェントノズル１３を介してアシストガスを供給した場合には、このアシストガスを被加工部材５の厚さ方向に均一に供給することができる。
【００２５】
なお、本形態の加工レーザヘッド１７はレーザ溶接、特に厚板のレーザ溶接に好適に適用することができるが、この場合には、当然アシストガスを供給するためのダイバージェントノズル１３は不要となる。
【００２６】
＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ加工ヘッド２７は、図１に示すレーザ加工ヘッド１７に平行レーザビーム１２の揺動機構を追加したものである。そこで、図２中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
本形態に係るレーザ加工ヘッド２７においては、平行レーザビーム１２の光路の途中に、反射体である全反射ミラー２１が配設してあり、この全反射ミラー２１を駆動源２２で回動軸２３を回動中心として時計方向及び反時計方向に回動して揺動するようになっている。
【００２８】
当該レーザ加工ヘッド２７を切断用のレーザ加工ヘッド２７として使用する場合、揺動方向はレーザ加工ヘッド２７の走行方向（図中の矢印で示すその右から左方向）に沿う方向とする。すなわち、当該切断作業の最初は、平行レーザビーム１２を直角下方に向けて切断を開始し、切断の進行に伴う加工の状態に応じ適宜走行方向の前後に振るようにする。
【００２９】
このことにより、本形態に係るレーザ加工ヘッドを用いるレーザ切断では、切断能力を向上させることができる。すなわち、被加工部材５の厚さ方向の切断線５ａを、被加工部材５の表面に対してほぼ直角とすることができ、この切断線５ａを可及的に短縮することができる。ちなみに、かかる揺動を行わない場合、図２（ｂ）に示すように、切断線５ｂは、大きくカーブしてしまう。そして、かかる傾向は、被加工部材５の板厚が厚くなれば、厚くなる程顕著になる。
【００３０】
また、本形態によれば、カーフ内に残留したドロスを再切断して除去可能であるため、Ｏ2 ＋Ｎ2 の混合ガスであるアシストガスを用いるレーザ切断において、Ｏ2 の量を低減することにより小カーフ幅切断を実現することができる。
【００３１】
当該レーザ加工ヘッド２７を溶接用のレーザ加工ヘッド２７として使用する場合、揺動方向はレーザ加工ヘッド２７の走行方向と直角な方向（溶接線の幅方向）とする。このように、溶接線の幅方向にオッシレートすることにより、開先の両エッジ部にも十分な熱量を供給することができ、その分溶接品質の向上を図ることができる。
【００３２】
＜第３の実施の形態＞
図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ加工ヘッド３７は、図１に示すレーザ加工ヘッド１７にシリンドリカルレンズ３１を追加したものである。そこで、図３中、図１と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００３３】
本形態に係るレーザ加工ヘッド３７においては、平行レーザビーム１２の光路の途中にシリンドリカルレンズ３１が配設してあり、その出射光として線状の線状レーザビーム３２を得る。さらに詳言すると、図３（ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ３１には、横断面形状が円形の平行レーザビーム１２が入射される。この平行レーザビーム１２は、シリンドリカルレンズ３１を通過することにより線状レーザビーム３２となる。この線状レーザビーム３２は、長さが平行レーザビーム１２の直径と同長で、幅が、シリンドリカルレンズ３１から離れるにつれ、図３（ｂ）のロ）、ハ）、ニ）に示すように漸減する横断面形状が長方形のレーザビームである。すなわち、シリンドリカルレンズ３１の焦点位置では、図３（ｂ）のニ）に示すように、最も幅狭のエネルギ密度が最大の線状レーザビーム３２が得られる。
【００３４】
当該レーザ加工ヘッド３７を切断用のレーザ加工ヘッド３７として使用する場合、線状レーザビーム３２の長手方向と当該レーザ加工ヘッド３７との走行方向を一致させる。かかる状態で、切断を行うことにより、線状レーザビーム３２の長手方向を切断方向としているので、切断遅れの発生が懸念される場合でも線状レーザビーム３２の後部で所定位置の切断を行うことができ、この切断遅れを未然に回避できる。
【００３５】
上述の如くレーザ加工ヘッドに関して３つの実施の形態を説明したが、必要に応じ、各加工ヘッドを組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、レーザ加工ヘッド２７、３７をレーザ切断に用いる場合には、アシストガスを噴射するためのノズルが必要になる。レーザ加工ヘッド２７、３７におけるノズルをレーザ加工ヘッド１７のダイバージェントノズル１３で構成することも可能であり、この場合にはアシストガスの供給に関してレーザ加工ヘッド１７と同様の作用・効果を得る。また、レーザ加工ヘッド２７にシリンドリカルレンズ３１を組み合わせても良い。この場合、揺動による線状レーザビーム３２の移動で切断速度の更なる高速化を実現し得る。
【００３６】
＜第４の実施の形態＞
図４は本発明の第４の実施の形態に係るレーザ切断装置を示すブロック線図である。同図に示すように、加工ヘッドＩは、上記レーザ加工ヘッド１７、３７又はこれらの組み合わせヘッドである。すなわち、平行レーザビーム１２又は線状レーザビーム３２を被加工部材５に向けて照射するものである。状態検出センサ４１、４２は、被加工部材５の上方及び下方に配設され、被加工部材５の切断部位の状態を検出するものである。すなわち、この場合の切断部位の状態は、この部分から発する光の光量、音又はこの部分の画像情報で把握することができ、これを被加工部材５の表面及び裏面に関して取り込んでいる。状態検出センサ４１、４２は、必ずしも上下に設ける必要はなく、場合によっては上方又は下方の状態検出センサ４２は省略することができる。データ解析装置４３は、状態検出センサ４１、４２の出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力する。レーザ制御装置４４は、前記加工ヘッドＩに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器４５の出力、波形等を、前記データ解析装置４３の情報に基づき制御する。すなわち、前記データ解析装置４３の情報に基づき、被加工部材５の板厚、加工ヘッドＩの移動速度等をパラメータとして最適な強度のレーザ光が出力されるよう制御する。光ファイバ４６はレーザ発振器４５が照射したレーザ光を加工ヘッドＩに導入するためのものである。アシストガス供給装置４７は、加工ヘッドＩの先端部から被加工部材５の切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給する。アシストガス制御装置４８は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給装置４７を介して供給するアシストガスの供給量等を制御する。加工ヘッド走行制御装置４９は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づき加工ヘッドＩを被加工部材５の切断線に沿って走行させる駆動源５０の駆動速度等を制御する。ここで、加工ヘッド走行制御装置４９は、データ解析装置４３が出力する切断部位の情報に基づき所定の走行制御を行う必要はなく、データ解析装置４３からは独立した速度制御系とすることも可能である。この場合は、加工ヘッド走行制御装置４９は、予め設定された速度で加工ヘッドＩが走行するよう制御する。
【００３７】
かかるレーザ切断装置においては、駆動源５０で加工ヘッドＩを走行させながらアシストガスとともに平行レーザビーム１２又は線状レーザビーム３２を被加工部材５の切断線に沿って照射する。このとき平行レーザビーム１２は被加工部材５の板厚方向に関してほぼ同一のエネルギー密度を有するので、被加工部材５が厚板であっても良好にこれを切断することができる。また、線状レーザビーム３２の場合は、加工部位が狭隘な部分にあっても遠方から効率良く所定の切断を行うことができる。
【００３８】
すなわち、レーザ光２（図１参照。）を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４（図１参照。）を平行光である平行レーザビーム１２に成形することで、被加工部材５が厚板であっても、平行レーザビーム１２をアシストガスとともに被加工部材５の切断部位に供給して良好に被加工部材５を切断することができる。
【００３９】
ところで、近年、レーザ発振器４５は大出力化しており、したがってレーザビームの径を、例えば１ｍｍφ程度に迄絞り込まないで、例えば５ｍｍφ程度の平行レーザビーム１２としても十分大きな切断エネルギーを得ることができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態においては平行レーザビーム１２を利用しているので、従来の如き集光レーザビーム４に較べアシストガスを噴射するためのノズルの形状に自由度がある。この結果、アシストガスのガス圧を従来に較べ低減しても十分な酸素を供給することができる。このようにガス圧を低くした場合には、被加工部材５の裏面側に抜けるアシトスガスのガス圧も低減され、この裏面側に可燃性の部材、例えばアスベスト等の保温材等が貼着されていても、これが燃え広がることはない。このため、被加工部材５と可燃性の部材とを一体的に切断することも可能になる。これにより、厚板の鋼材とアスベスト等の保温材が一体化された部分を多く有する原子炉の解体に適用してその作業性を飛躍的に向上させることができる。
【００４１】
＜参考例＞
図５は本発明の参考例に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。同図に示すように、加工ヘッドIIは、上記レーザ加工ヘッド１７を用いている。すなわち、図４に示すレーザ切断装置と同様に、平行レーザビーム１２を被加工部材５に向けて照射するものであり、アシストガスの供給系を除去し、シールドガスの供給系及びフィラワイヤの供給系を設けた以外は、図４に示すレーザ切断装置と同様の構成となる。そこで、図５中、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００４２】
シールドガス供給装置５１は、平行レーザビーム１２及びフィラワイヤを囲繞するよう、シールドガスを加工ヘッドIIの先端部から被加工部材５の切断部位に向けて噴射する。シールドガス制御装置５２は、データ解析装置４３が出力する溶接部位の情報に基づきシールドガス供給装置５１を介して供給するシールドガスの供給量等を制御する。フィラワイヤ供給装置５３は、被加工部材５の溶接部位にフィラワイヤを供給するものである。フィラワイヤ供給制御装置５４は、データ解析装置４３が出力する溶接部位の情報に基づきフィラワイヤ供給装置５３を介して供給するフィラワイヤの供給速度等を制御する。
【００４３】
かかるレーザ溶接装置においては、駆動源５０で加工ヘッドIIを走行させながらフィラワイヤとともに平行レーザビーム１２を被加工部材５の溶接線に沿って照射する。このとき平行レーザビーム１２は被加工部材５の板厚方向に関してほぼ同一のエネルギー密度を有するばかりでなく、横断面の形状におけるビード径がほぼ同一であるので、図６に示すように、被加工部材５の板厚が厚くても、この被加工部材５の板厚方向の何れの位置でも同様の開先幅Ｗ0 とすることができる。このため、開先幅Ｗ0 を可及的に小さくすることができ、溶接層数及び溶接パス数を可及的に低減し得る。なお、図６中、８は溶接ビードである。
【００４４】
また、図９に示すように、溶接面が凹凸形状（三次元の凹凸曲面等）となっている場合でも、加工ヘッドIIの高さ位置を調節することなく同一高さで溶接作業を行うことができる。平行レーザビーム１２は被加工部材５の高さ方向の幅がほぼ同一であるからである。この結果、上記凹凸形状等の複雑な形状であっても、複雑な加工ヘッドIIの高さ位置制御を行う必要もなく、高効率の溶接作業を実施し得る。
【００４５】
すなわち、レーザ光２（図１参照。）を集光して絞り込んだ集光レーザビーム４（図１参照。）を平行光である平行レーザビーム１２に成形することで、被加工部材５が厚板であっても、平行レーザビーム１２をフィラワイヤとともに被加工部材５の溶接部位に供給して良好に被加工部材５を溶接することができる。
【００４６】
＜第５の実施の形態＞
図８は本発明の第５の実施の形態に係る平行レーザビーム１２の揺動機構を有するレーザ切断装置及び溶接装置の図４及び図５に追加する部分を示すブロック線図である。すなわち、同図に示す、揺動制御装置６１、駆動源２２及び全反射ミラー２１を図４及び図５に示す装置に追加している。長焦点光学系６２は、集光光学系３（図１参照。）及び平行光光学系１１（図１参照。）を合わせたものである。
【００４７】
ここで、当該揺動機構を図４に示すレーザ切断装置に適用する場合、揺動制御装置６１は、加工ヘッド走行制御装置４９が出力する加工ヘッドＩの走行速度指令に基づき加工ヘッドＩの走行と同期して平行レーザビーム１２を加工ヘッドＩの走行方向に振るよう前記全反射ミラー２１の揺動を制御する。一方、図５に示すレーザ溶接装置に適用する場合には、加工ヘッド走行制御装置４９が出力する加工ヘッドIIの走行速度指令に基づき加工ヘッドIIの走行と同期して平行レーザビーム１２を溶接部位の幅方向に振るよう全反射ミラー２１の揺動を制御する。
【００４８】
かくして、レーザ切断装置に追加した場合は、切断線５ａ（図２参照。）の直線化により、その切断速度の向上に資することができる。また、溶接装置に追加した場合には、開先の端部にも十分な熱を供給することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕及び〔請求項２〕に記載する発明は、入射したレーザ光を集光して出射する集光光学系と、この集光光学系で集光して絞り込んだ集光レーザビームを入射して、これを平行光である平行レーザビームに成形して出射する平行光光学系とを有することを特徴とするレーザ加工ヘッドであって、当該レーザ加工ヘッドの先端部に、被加工部材に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設け、このダイバージェントノズルは内部に狭窄部と開口に向かって前記狭窄部に連続する拡幅部を有すること、前記平行光学系によって成形された前記平行レーザビームは、前記ダイバージェントノズルの内部を通過して前記被加工部材に照射され、且つ、前記狭窄部よりも細くて前記狭窄部との間に隙間を有するので、
軸方向に亘り均一をエネルギー密度を有する平行レーザビームを得ることができる。この結果、厚板の切断、溶接に適用して最適なものとなり、これらの作業を迅速且つ簡便に進めることができる。また、切断に用いる場合には、アシストガスを噴射するためのノズルが必要になるが、このノズルの形状の自由度が増すので、ノズル回りの形状を合理的なものとすることができる。
また、レーザ加工ヘッドの先端部にアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設けたので、
ダイバージェントノズルの整流効果により、軸方向に均一なアシストガスの流れを形成することができ、板厚が厚い被加工部材であってもその板厚方向に十分なアシストガスを供給することができ、良好なレーザ切断に資することができる。
【００５３】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、集光光学系は、これが出射する集光レーザビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成したので、
平行度の高い良質の平行レーザビームを得ることができ、〔請求項１〕に記載する発明の作用・効果を確実且つ顕著なものとすることができる。
【００５４】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドと、被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、状態検出センサの出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御手段とを有するので、
レーザ切断において、〔請求項１〕に記載する加工ヘッドが有する作用・効果を得ることができる。この結果、被加工部材の板厚が厚い場合でも良好にこれを切断し得る。さらに、アシストガスを噴射するためのノズルの形状に自由度があり、アシストガスのガス圧を従来に較べ低減しても十分な酸素を供給することができる。この結果、被加工部材の裏面側に抜けるアシトスガスの拡散の程度も低減され、この裏面側に可燃性の部材、例えばアスベスト等の保温材等が貼着されていても、これが燃え広がることはない。このため、被加工部材と可燃性の部材とを一体的に切断することも可能になり、当該切断作業の効率の飛躍的な向上を図ることができる。
【００５５】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項３〕に記載するレーザ加工ヘッドと、被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、状態検出センサの出力信号を解析して切断部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御装置と、加工ヘッド走行制御装置が出力する加工ヘッドの走行速度指令に基づき加工ヘッドの走行と同期して平行レーザビームを加工ヘッドの走行方向に振るよう前記加工ヘッドの反射体の揺動を制御する揺動制御手段とを有するので、
〔請求項６〕に記載するレーザ切断装置の作用・効果に加え、被加工部材に照射するレーザビームを切断方向に振ることができる。この結果、板厚方向において切断線の直線化を図ることができ、これにより切断作業の迅速化を達成し得る。
【００５８】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載のレーザ加工ヘッドを用いたレーザ切断方法であって、前記集光光学系でレーザ光を集光して絞り込んだ集光レーザビームを前記平行光光学系で平行光である平行レーザビームに成形し、この平行レーザビームを前記ダイバージェントノズルの内部を通過させ、前記ダイバージェントノズルから噴射するアシストガスとともに被加工部材の切断部位に供給してこの被加工部材を切断するので、〔請求項１〕に記載する発明と同様の効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はその平行光光学系を抽出して示す拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はこの場合の被加工部材の切断線の様子を示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はそのビームの形状を示す説明図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係るレーザ切断装置を示すブロック線図である。
【図５】 本発明の参考例に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。
【図６】図５に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図７】図５に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図８】図４及び図５に示す装置に追加して有用な揺動機構を示すブロック線図である。
【図９】従来技術に係るレーザ加工ヘッドを示す説明図である。
【図１０】図９に示すレーザ加工ヘッドのノズル部分の一例を示す説明図である。
【図１１】図９に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【図１２】図９に示すレーザ溶接装置による溶接の態様を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 光ファイバ
２ レーザ光
３ 集光光学系
４ 集光レーザビーム
５ 被加工部材
１１ 平行光光学系
１２ 平行レーザビーム
１３ ダイバージェントノズル
１７ レーザ加工ヘッド
２１ 全反射ミラー
２２ 駆動源
２７ レーザ加工ヘッド
３１ シリンドリカルレンズ
３２ 線状レーザビーム
３７ レーザ加工ヘッド
４１ 状態検出センサ
４２ 状態検出センサ
Claims (5)
- 入射したレーザ光を集光して出射する集光光学系と、この集光光学系で集光して絞り込んだ集光レーザビームを入射して、これを平行光である平行レーザビームに成形して出射する平行光光学系とを有することを特徴とするレーザ加工ヘッドであって、
当該レーザ加工ヘッドの先端部に、被加工部材に向けて切断加工時のアシストガスを噴射するダイバージェントノズルを設け、このダイバージェントノズルは内部に狭窄部と開口に向かって前記狭窄部に連続する拡幅部を有すること、
前記平行光学系によって成形された前記平行レーザビームは、前記ダイバージェントノズルの内部を通過して前記被加工部材に照射され、且つ、前記狭窄部よりも細くて前記狭窄部との間に隙間を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記被加工部材は裏面側に可燃性の部材が一体化されたものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、
集光光学系は、これが出射する集光レーザビームの収差を除去するよう複数枚のレンズを組み合わせた組レンズで構成したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 〔請求項１〕に記載するレーザ加工ヘッドと、
被加工部材の上方若しくは下方、又は上方及び下方に配設され、被加工部材の切断部位の状態を検出する状態検出センサと、
状態検出センサの出力信号を解析して加工部位の状態を表す情報を出力するデータ解析手段と、
前記加工ヘッドに向けてレーザ光を出射するレーザ発振器の出力、波形等を、前記データ解析手段の情報に基づき制御するレーザ制御手段と、
加工ヘッドの先端部から切断部位に向けて噴射するアシストガスを供給するアシストガス供給手段と、
前記データ解析手段が出力する切断部位の情報に基づきアシストガス供給手段を介して供給するアシストガスの供給量等を制御するアシストガス制御手段と、
前記加工ヘッドを被加工部材の切断線に沿って走行させる駆動源の駆動速度等を制御する加工ヘッド走行制御手段とを有することを特徴とするレーザ切断装置。 - 〔請求項１〕に記載のレーザ加工ヘッドを用いたレーザ切断方法であって、前記集光光学系でレーザ光を集光して絞り込んだ集光レーザビームを前記平行光光学系で平行光である平行レーザビームに成形し、この平行レーザビームを前記ダイバージェントノズルの内部を通過させ、前記ダイバージェントノズルから噴射するアシストガスとともに被加工部材の切断部位に供給してこの被加工部材を切断することを特徴とするレーザ切断方法。
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