JP5194367B2

JP5194367B2 - レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法

Info

Publication number: JP5194367B2
Application number: JP2006041754A
Authority: JP
Inventors: 剛坂本; 和也岡田; 景一園田; 隆久長谷川; 光男市川; 泰章宇賀神
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007216281A

Description

本発明はレーザ溶接に代表されるようなレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッドに関し、例えばレーザ溶接を行なう際にレーザ光学系へのスパッタの付着を防止するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法に関する。

レーザ溶接用の加工ヘッドでは、レーザ光学系の末端の集光レンズと被加工物との間に保護ガラスを設けるとともに、保護ガラスよりも被加工物側に被加工物とほぼ平行な空気の流れを積極的に形成することでいわゆるエアシャッターの機能を具備させ、集光レンズおよび保護ガラスをスパッタの付着から保護するようにしている。しかしながら、エアシャッターにて全てのスパッタを吹き飛ばすことはできず、一部のスパッタはエアシャッターを通り抜けて保護ガラスに付着することから、溶接位置でのレーザ出力の低下による溶接品質の低下を防止するために保護ガラスの定期的な交換が必要となり、生産性の低下を余儀なくされる。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いため保護ガラスの交換頻度が高く、生産性の低下が顕著となる。

そこで、例えば特許文献１に記載のように、上記エアシャッターを第一のエアシャッターとするとともに、第一のエアシャッターと交差するように斜め下方を指向する第二のエアシャッターを第一のエアシャッターと保護ガラスとの間に設け、上記両エアシャッターの相乗効果によって保護ガラスへのスパッタの付着を防止する技術が提案されている。
特開２００５−２１９１０８号公報

特許文献１に記載の技術では、上記両エアシャッターの相乗効果により保護ガラスへのスパッタの付着量は低減するものの、保護ガラスへ一旦付着したスパッタを除去することはできず、保護ガラスへのスパッタの付着による溶接品質の低下を防止するためには保護ガラスの交換頻度を高くせざるをえない。

本発明は上記の課題に鑑み、レーザ加工に伴って発生したスパッタの保護ガラスへの付着を防止するとともに、保護ガラスに一旦付着したスパッタを除去することができるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、レーザ光をレーザ光学系の末端の集光レンズにて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ることを前提として、集光レンズよりも被加工物側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配置され、被加工物にほぼ平行な空気の流れを形成する第一のエアノズルと、保護ガラスと第一のエアノズルとの間に配置され、レーザ光路の側方から保護ガラスに向かう空気の流れを形成する第二のエアノズルと、を備えている。
そして、第二のエアノズルが形成する空気の流れが、保護ガラスのうち当該保護ガラスの中心から第一のエアノズルが形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位を指向するように、第二のエアノズルの向きを設定してあることを特徴としている。

したがって、請求項１に記載の発明では、第一のエアノズルにより形成された空気の流れにてレーザ加工中に発生したスパッタが吹き飛ばされるようにして除去されるとともに、第一のエアノズルにて形成された空気の流れにて吹き飛ばされずに保護ガラスに付着した一部のスパッタを第二のエアノズルにて形成された空気の流れをもって吹き飛ばすことが可能となる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明をレーザ加工方法として捉えたものであって、レーザ光をレーザ光学系の末端の集光レンズにて集光した上で保護ガラスを透過させて被加工物に照射することによりレーザ加工を施す方法であることを前提として、集光レンズよりも被加工物側に保護ガラスを配置するとともに、保護ガラスよりも被加工物側に当該被加工物にほぼ平行な空気の流れを形成する第一のエアノズルを配置し、さらに、保護ガラスと第一のエアノズルとの間に、レーザ光路の側方から保護ガラスに向かう空気の流れを形成する第二のエアノズルを配置してある。そして、第一のエアノズルからの空気の流れをもって、保護ガラスよりも被加工物側にエアシャッターとして機能する被加工物とほぼ平行な層状の空気の流れを形成するとともに、第二のエアノズルが形成する空気の流れを、保護ガラスのうち当該保護ガラスの中心から第一のエアノズルが形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位を指向させ、この状態で被加工物にレーザ光を照射することを特徴としている。

したがって、請求項５に記載の発明では、レーザ加工中に発生したスパッタが上記エアシャッターとして機能する空気の流れにより吹き飛ばされるようにして除去されるとともに、上記エアシャッターとして機能する空気の流れにて吹き飛ばされずに保護ガラスに付着した一部のスパッタを上記エアブローをもって吹き飛ばすことが可能となる。

請求項１，５に記載の発明によれば、従来のいわゆるエアシャッターの機能に加えて、保護ガラスに空気を吹き付けるようになっているので、保護ガラスに一旦付着したスパッタを除去することが可能となり、保護ガラスへのスパッタの付着による加工点でのレーザ出力の低下が抑制されてレーザ加工品質が向上する上に、保護ガラスの交換頻度の低減による工数削減と生産性の向上を図ることができる。

特に、保護ガラスに向けていわゆるエアブローしつつレーザ加工を行なうため、保護ガラスに付着したスパッタを直ちにエアブローにて除去することが可能であり、スパッタが保護ガラスに定着する前にスパッタを効果的に除去することができる。

図１は本発明のより具体的な実施の形態としてレーザ溶接ヘッドの要部の構造を示している。

図１において、Ｗは例えば鋼板等の平板状の被加工物としての被溶接物、１はレーザ加工ヘッドとしてのレーザ溶接ヘッドである。

レーザ溶接ヘッド１のハウジング２内にはレーザ光Ｌが導入されるようになっているとともに、図示外の反射ミラー等とともにレーザ光学系を形成することになる集光レンズ３が収容されている。この集光レンズ３よりも被溶接物Ｗ側には、図１に示すように集光レンズ３を保護するための保護ガラス４が配置されていて、図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光Ｌが集光レンズ３にて集光された上で保護ガラス４を透過して被溶接物Ｗの溶接部位Ｐに照射されることになる。

また、保護ガラス４の直下すなわち被溶接物Ｗ側には一対のエアブローノズル５がレーザ光Ｌの光軸Ｌａを挟んで互いに対向するようにそれぞれレーザ光路の側方に第二のエアノズルとして配置されているとともに、エアブローノズル５の下方すなわち被溶接物Ｗ側には保護筒６を介して第一のエアノズルたる偏平エアノズル７が取り付けられている。

各エアブローノズル５はそれぞれ斜め上方を指向する矢印Ａ，Ｂ方向にエアを吹き出すことにより保護ガラス４に向かう空気の流れを形成する一方で、偏平エアノズル７は矢印Ｃ方向に向けてエアを層状に吹き出すことにより被溶接物Ｗに平行な空気の流れを形成してエアシャッターとしての機能が発揮されるようになっている。より詳細には、各エアブローノズル５は後述するように保護ガラス４の中心から矢印Ｃ方向下流側すなわち偏平エアノズル７が形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位に向けてエアを吹き出すこととなるとともに、各エアブローノズル５は保護ガラス４に対し当該保護ガラス４の直下に配置されている。

また、偏平エアノズル７の下方すなわち被溶接物Ｗ側にブラケット８を介して円盤状の保護プレート９が取り付けられていて、保護プレート９にはレーザ光Ｌが通過する光路穴９ａが貫通形成されている。

以上のように構成されたレーザ溶接ヘッド１では、レーザ光Ｌを集光レンズ３にて集光した上で保護ガラス４を透過させて被溶接物Ｗの溶接部位Ｐに照射しつつ、例えばレーザ溶接ヘッド１を被溶接物Ｗに対して移動させてレーザ溶接を行なう。同時に各エアブローノズル５にて保護ガラス４の下方から斜め上方に指向するようにエアを吹き出すことで保護ガラス４に向けてエアブローするとともに、偏平エアノズル７からエアを吹き出してエアシャッターとして機能する空気の流れを形成する。

溶接動作の進行に伴って溶接部位Ｐからはスパッタが飛散し、レーザ光Ｌの光路から外れた一部のスパッタは保護プレート９に付着して除かれる一方、レーザ光Ｌの光路方向を指向しつつ飛散したスパッタは保護プレート９の光路穴９ａを通過して保護筒６内に進入する。保護筒６内に進入した一部のスパッタは偏平エアノズル７が形成する空気の流れがエアシャッターとして機能することでその空気の流れ方向に吹き飛ばされるようにして除去されるものの、残りのものはエアシャッターとして機能する空気の流れの影響を受けて飛散方向を偏向しつつも保護ガラス４に到達する。また、保護ガラス４に到達したスパッタは偏平エアノズル７が吹き出すエアにより冷却されているため保護ガラス４に衝突すると下方に跳ね返ることとなるが、十分に冷却されずに保護ガラス４に到達した一部のスパッタは保護ガラス４に付着する。

図２は図１におけるエアブローノズルを示す拡大図である。

ここで、上述のようにスパッタは偏平エアノズル７から吹き出されるエアの影響を受けつつ保護ガラス４に到達するため、図２に示すように保護ガラス４のうちその中心から偏平エアノズル７が形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位Ｓに集中してスパッタが付着する。したがって、保護ガラス４のうちその中心から偏平エアノズル７が形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位Ｓに向けて各エアブローノズル５にてエアブローすることで保護ガラス４に付着したスパッタが吹き飛ばされるようにして効果的に除去される。また、各エアブローノズル５は保護ガラス４の直下に配置されているため、保護ガラス４に付着したスパッタをより効果的に除去することができる。さらに、各エアブローノズル５にて保護筒６内に空気を流入させることにより、偏平エアノズル７が吹き出すエアの影響で保護筒６内における負圧の発生を防止する機能も併せ持つ。

したがって、本実施の形態によれば、溶接時に発生するスパッタの一部は偏平エアノズル７にて形成したエアシャッターとして機能する空気の流れにて吹き飛ばされるようにして除去されるとともに、残りのスパッタが保護ガラス４の表面に一旦付着したとしても、各エアブローノズル５にてエアブローすることで保護ガラス４の表面に付着しているスパッタを吹き飛ばすことができる。その結果、保護ガラス４の本来の機能を長期にわたって維持できるようになり、保護ガラス４の交換頻度を低くして生産性を向上させることができる。

なお、本実施の形態ではレーザ溶接を例にとって説明したが、本発明はレーザ溶接以外の各種レーザ加工に適用できることは言うまでもない。

図３は本発明の第２の実施の形態として図１におけるエアブローノズルの変形例を示していて、図４は図３におけるエアブローノズルおよび偏平エアノズルを示す平面図である。なお、図３，４において図１と同様または相当部分には同一の符号を付してある。

図３に示す第２の実施の形態は、エアブローノズル５を単一のものとするとともに、図４に示すようにレーザ光Ｌの光軸Ｌａに沿って見たときに、エアブローノズル５が形成する空気の流れ方向と偏平エアノズル７の形成する空気の流れ方向とが一致するようにしたものである。

この第２の実施の形態では、第１の実施の形態の効果に加えて、偏平エアノズル７が形成する空気の流れの影響を受けて飛散方向を偏向しつつも保護ガラス４に向かうスパッタが保護ガラス４に到達する前にエアブローノズル５が形成する空気の流れにてさらにその飛散方向を偏向するため、保護ガラス４のうちレーザ光Ｌが透過する部位へのスパッタの付着をより効果的に抑制することができるメリットがある。

本発明のより具体的な実施の形態としてレーザ溶接ヘッドの要部の構造を示す図。図１におけるエアブローノズルの拡大図。本発明の第２の実施の形態として図１におけるエアブローノズルの変形例を示す図。図３におけるエアブローノズルおよび偏平エアノズルを示す平面図。

符号の説明

１…レーザ溶接ヘッド（レーザ加工ヘッド）
３…集光レンズ
４…保護ガラス
５…エアブローノズル（第二のエアノズル）
７…偏平エアノズル（第一のエアノズル）
９…保護プレート
９ａ…光路穴
Ｗ…被溶接物（被加工物）
Ｌ…レーザ光

Claims

レーザ光をレーザ光学系の末端の集光レンズにて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配置され、被加工物にほぼ平行な空気の流れを形成する第一のエアノズルと、
保護ガラスと第一のエアノズルとの間に配置され、レーザ光路の側方から保護ガラスに向かう空気の流れを形成する第二のエアノズルと、
を備え、
第二のエアノズルが形成する空気の流れが、保護ガラスのうち当該保護ガラスの中心から第一のエアノズルが形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位を指向するように、第二のエアノズルの向きを設定してあることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
第二のエアノズルが保護ガラスに対し当該保護ガラスの直下に配置されていて、
この第二のエアノズルは、保護ガラスの下方から斜め上方を指向する空気の流れをもって保護ガラスに向けてエアを吹き出すものであ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。
レーザ光の光軸方向に沿って見たとき、第二のエアノズルが形成する空気の流れ方向と第一のエアノズルが形成する空気の流れ方向とが一致していることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
レーザ光が通過する光路穴が貫通形成された保護プレートが第一のエアノズルよりも被加工物側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ加工ヘッド。
レーザ光をレーザ光学系の末端の集光レンズにて集光した上で保護ガラスを透過させて被加工物に照射することによりレーザ加工を施す方法であって、
集光レンズよりも被加工物側に保護ガラスを配置するとともに、
保護ガラスよりも被加工物側に当該被加工物にほぼ平行な空気の流れを形成する第一のエアノズルを配置し、
さらに、保護ガラスと第一のエアノズルとの間に、レーザ光路の側方から保護ガラスに向かう空気の流れを形成する第二のエアノズルを配置し、
第一のエアノズルからの空気の流れをもって、保護ガラスよりも被加工物側にエアシャッターとして機能する被加工物とほぼ平行な層状の空気の流れを形成するとともに、
第二のエアノズルが形成する空気の流れを、保護ガラスのうち当該保護ガラスの中心から第一のエアノズルが形成する空気の流れ方向下流側にオフセットした部位を指向させ、
この状態で被加工物にレーザ光を照射することを特徴とするレーザ加工方法。
第二のエアノズルが保護ガラスに対し当該保護ガラスの直下に配置されていて、
この第二のエアノズルは、保護ガラスの下方から斜め上方を指向する空気の流れをもって保護ガラスに向けてエアを吹き出すことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。