JPH0333438B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、溶接や溶断等を行う高出力レーザ加
工機において、被加工物からの反射光により人体
に及ぼす影響を低減し、加工機の他の個所への熱
的影響を防止する遮光装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

近年レーザ加工機は、高エネルギー密度を持つ
レーザの特性を生かし、その利用は各分野に広ま
つてきたが、同時に加工範囲も拡大され、一般機
械材料の溶接、切断、焼入れ等の加工も可能とな
つてきた。

従つて、レーザ加工機の出力は、測長用として
数ｍＷ、小物部品加工用として〜数十Ｗ、薄物・
中物加工用として〜数百Ｗ、大物加工用としては
数KW〜十数KWのものがそれぞれ実用化されて
いる。また、ジヤイアントパルスレーザのよう
に、パルス的ではあるが100MW級のものも存在
する。しかるに、これら各種のレーザ加工機にお
いて、加工後の拡散された光あるいは他の機器か
らの反射光は、これを受ける人体や周辺機器に悪
影響を与えることが認識されている。

すなわち、人体において、レーザ光は極めて平
行光線に近いため、一つの集光系をなす眼球に入
ると、眼底に焦点を結んで眼底組織の障害を発生
する。特に、パルスレーザの場合には、閃光時間
が極めて短いため、眼の自然の防御機構である瞬
目反射が間に合わず、レーザ光の侵入を防止する
ことができない。また、加工用強力レーザ光は、
その多くが赤色から赤外領域に多くあり、このた
め光自体は強いエネルギーを有しながら、その視
感度から弱い赤色にしか感じなかつたり、赤外部
のものは光としても感じないために視力低下が生
じるまで眼底障害に気付かない場合が多い。

一方、大出力レーザ光においては、人体および
周辺機器への熱的影響も大きい。これらの点につ
いては、従来技術においても安全保護対策として
次のような減光または遮光手段が提案されてい
る。

ａ シヤツタを使用する方法 ｂ 反射装置を使用する方法 ｃ 減光フイルタを使用する方法 しかしながら、前記ａの方法を実施するシヤツ
タとしては、光電池等により極めて迅速に作動す
るように構成した装置が最適であるが、現在のと
ころ開発されていない。また、前記ｂの方法を実
施するには、各レーザ光の波長光を99.9％以上の
高効率で反射する装置の製作が必要であるが、現
在のところ実施可能なものは得られていない。従
つて、現在のところ実際に使用可能な手段は、前
記ｃの方法を実施する減光フイルタによる保護眼
鏡の使用のみである。このため、眼の保護以外の
保護は、カバーや周辺器材により遮蔽するだけで
あり、機器自体の加工部からの反射光により加熱
が進行すると同時に操作性が非常に悪くなる難点
がある。

しかるに、一般にレーザ光自体の加工における
反射率および金属を溶融させるに必要なレーザ出
力について検討し、その問題点を指摘すれば次の
通りである。

例えば、鏡面仕上げされた各種金属の表面にお
いては、レーザ光の波長が長くなると急激に反射
率が増加し、通常高出力レーザとして多く用いら
れるCO₂レーザの場合、波長λ＝10.6μｍである
ことから、殆んどの鋼材で90％以上が反射するこ
とが第１図より明らかである。なお、セラミツク
ス等では、波長が長くなると反射率が低下するも
のも存在する。例えば、Al₂O₃では、可視光の時
の反射率が85％であるのに対し、波長9μｍの時
の反射率は20％となる。しかしながら、反射率
は、材料表面が溶融状態になると吸収係数が急激
に増大し、しかも材料が蒸発し始めると吸収係数
もより一層増大する。例えば、ルビーレーザ（波
長0.69μｍ）等では吸収係数の増大を殆んど考え
なくてもよいが、波長の長いCO₂レーザ等では数
％〜十数％の吸収係数の増大を考慮する必要があ
る。

また、各種鋼材に対するレーザ加工に要するビ
ーム出力としては、第２図に示すように、非常に
大きな出力を必要とする。このため、加工時にお
ける初期の反射率が90％以上で、加工中（材料蒸
発時）における反射率が数％〜十数％でも、レー
ザ光反射による人体および周辺機器における影響
は多大なるものがある。

従つて、従来よりレーザ加工機においては、人
体および周辺機器への影響を減少ないしは皆無と
し、かつ操作性を向上し得ることが要求されてい
る。

このような観点から、光の長波長域において極
めて優れた吸収率を有する材料として、水が知ら
れている。この水の吸収率は、第３図に示す透過
率のデータから明らかである。すなわち、
As₂Se₃を材料とする透過率測定用機器を使用し、
この容器内に厚さ0.05mm〔特性曲線Ａ〕および厚
さ0.01mm〔特性曲線Ｂ〕となるよう水を入れた場
合について、それぞれ波長（μｍ）特性を測定し
た結果、第３図に示すように、水の厚さが増大す
るに応じて透過率がより低下ししかも指数関数的
に減少することが明らかである。例えば、第３図
において、波長10μｍにおける各水膜に対する透
過率は次の通りである。

(1) 厚さ0.05mmの場合 ３％ (2) 厚さ0.01mmの場合 50％ 従つて、10μｍにおける波長（CO₂レーザ光付
近）における遮光すべき水の厚さを0.2mmとすれ
ば、（0.5）^0.2/0.01＝9.5×10^-7となり、出力10KWの
レーザビームの被加工物からの初期反射率を90％
と仮定すれば、 10000×0.9×9.5×10^-7＝8.6×10^-3〔Ｗ〕 ＝8.6〔ｍＷ〕 となる。この出力は、前記水膜を通過した後の全
光量となるので、レーザ光照射後の散乱反射とし
て目に入る光量は、前記8.6ｍＷの数十分の一か
ら数千分の一となり人体に対する障害は殆んど無
くなる。

また、このような計算によれば、100MW級の
ジヤイアントパルスに対しても、水膜の厚さが
0.3mm以上あれば有効となる。しかしながら、実
際には、この程度の水膜の厚さでは、水の蒸発や
流水である場合を考慮すれば不安定であり、少な
くとも１mmは必要とされる。

そこで、この種の水膜を応用した遮光装置とし
て、二重壁の間に水を溜めておくウオータウオー
ル方式が提案されているが、この種の方式には壁
を固定しておくため、作業性が非常に悪いばかり
でなく、局部加熱による気泡の発生により遮光性
が部分的に低下する欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、レーザ加工時に流水に形成し
た水膜で遮光を行い、被加工物の移動やセツトに
際しては適宜止水してその作業性を向上し、有効
にして効率的かつ熱線の遮光を実現できる遮光装
置を提案するにある。

〔発明の要点〕

本発明における熱線の遮光装置は、載置台に載
置した被加工物にレーザ光を照射して溶接や溶断
等の加工を行うレーザ加工機において、被加工物
の上方に被覆体を配置し、この被覆体の外周縁部
の下方に前記被加工物を囲繞するよう流下水によ
るウオータカーテンを形成することを特徴とす
る。

すなわち、本発明においては、被加工物の外周
をレーザ加工時に流下水で形成するウオータカー
テンで囲繞することにより、反射光のエネルギー
を前記流下水に効率よく吸収して排除することが
でき、作業者の人体に対する悪影響の防止は勿論
のこと、周辺機器に対する障害も有効に防止する
ことが可能である。

従つて、前記の遮光装置において、ウオータカ
ーテンは、２重もしくはそれ以上の多重層に形成
すれば効果的である。

また、前記遮光装置を構成する被覆体は、円錐
形二重構造とし、中央部にレーザ光の導入口を設
けると共にこの導入口に近接して内部空間と連通
する水供給口を設け、さらに外周縁部にウオータ
カーテンを形成するための水噴出口を設け、一方
前記被覆体の下方に水噴出口と対向して水受体を
設け、この水受体に回集した水を前記水供給口へ
循環供給する手段を設ければ好適である。

なお、代案として、被覆体は、円錐形構造とし
た外周縁部にウオータカーテンを形成するための
水噴出口を備えた中空円筒部を設けた構成とする
こともできる。

また、前記被覆体に設けた水噴出口を水平面に
対し所定方向に傾斜するよう構成すれば、給水停
止により被加工物の取出しや交換を行う際の作業
領域における水滴落下を防止することができる。

一方、水受体は、被加工物を載置する載置台の
外周に囲繞配置し、その一部から導管を導出する
と共にポンプおよび熱交換器を介して被覆体の水
供給口に連通接続すれば好適である。

さらに、ウオータカーテンを形成する水に防錆
剤や界面活性剤を混入することにより、被加工物
や周辺機器の防錆を行つたり、水の表面張力を増
強して水膜形成を一層円滑に達成することができ
る。

〔発明の実施例〕

次に、本発明に係る遮光装置の実施例につき、
添付図面を参照しながら以下詳細に説明する。

第４図は、本発明装置の一実施例を示す基本構
造図である。すなわち、第４図において、参照符
号１０は被加工物を示し、この被加工物１０は周
辺機器１２と共に載置台１４上に載置されてい
る。被加工物１０の上方には、載置台１４および
周辺機器１２を含めてこれら全体を充分覆うこと
ができる大きさの円錐形二重被覆体１６を離間配
置する。しかるに、この被覆体１６は、中央部に
レーザ光１８を案内するための導入口２０を備え
ると共にこの導入口２０に近接した基部外周面に
水供給口２２を設けて２重に形成された被覆体１
６の内部空間２４に水を供給するよう構成する。
一方、被覆体１６の外周縁部には、前記内部空間
２４と連通し、下方にウオータカーテン２６を形
成しながら水を流下させる水噴出口２８を設け
る。この場合、ウオータカーテン２６は、単層と
することは勿論のこと、２重もしくはそれ以上の
多重層とすることができる。

これに対し、載置台１４の外周には、前記ウオ
ータカーテン２６を形成する流下水を回集するた
めの水受体３０を配置し、この水受体３０の一部
より導管３２を介してポンプ３４の吸込口に連通
すると共にポンプ３４の吐出口より導管３６を導
出してこれを前記被覆体１６に設けた水供給口２
２に連通接続する。このように構成することによ
り、水受体３０に回集した水を連続的に被覆体１
６に循環供給してウオータカーテン２６を円滑に
形成することができる。なお、この場合、導管３
６の一部に熱交換器３８を設けることにより、循
環水の冷却を行うことができる。

このように構成した本発明に係る遮光装置は、
被覆体１６を被加工物１０の上方に適当な手段で
固定配置し、予め水受体３０に充填した水をポン
プ３４を運転することによつて被覆体１６の水噴
出口２８により連続的に水を流下させることがで
き、これによつて被加工物１０の全外周を覆うウ
オータカーテン２６を形成することができる。こ
のように形成されたウオータカーテン２６は、被
覆体１６の導入口２０より案内されるレーザ光１
８が被加工物１０に照射されて反射する反射光４
０が透過する際にそのエネルギーを有効に吸収す
ることができる。次いで、反射光のエネルギーを
吸収した流下水は、水受体３０に回集されてポン
プ３４により被覆体１６へ再循環される。この
時、水の昇温が大きい場合には、熱交換器３８に
より放熱させて水の冷却を行うことができる。加
工が完了した際には、ポンプ３４の運転を停止す
れば、被覆体１６への給水が停止されて水噴出口
２８からの水の噴出が中断されるので、被加工物
の取出しないし交換作業を容易に達成することが
できる。

なお、前述した給水停止時における作業性を良
好にするため、例えば第５図に示すように、被覆
体１６を水平面に対し所要の角度θ（例えば、0°
〜30゜の範囲）に傾斜配置して、水噴出口２８を
水平面に対し傾斜させることにより、給水停止時
における水滴の落下位置を水噴出口２８の最低部
となるよう構成することにより、作業位置への水
滴落下防止を確実に達成することができる。代案
として、第６図に示すように、被覆体１６の水噴
出口２８を水平面に対し滑らかな曲線をなすよう
構成することによつても、前記と同様の効果を期
待することができる。

さらに給水停止時における作業性を一層良好に
するため、被覆体１６を、例えば片持ち支柱形ク
レーン等により支持して被加工物１０の位置に対
して旋回可能に構成すれば好適である。

一方、水受体３０は、第７図および第８図に示
すように、漏斗状に構成すれば、水の回集効率を
向上させるばかりでなく、設置スペースの縮少と
共に製造コストの低減並びに水の節約を図ること
ができる。

さらに、被覆体１６の別の実施例として、第９
図に示すように、円錐形構造とした外周縁部にウ
オータカーテン２６を形成するための水噴出口２
８を備えた中空円筒部４２を設けた構成とするこ
ともできる。

〔発明の効果〕

前述した実施例から明らかなように、本発明装
置によれば、被加工物の外周を流下水によつて形
成するウオータカーテンで囲繞することにより、
被加工物等から反射するレーザ光のエネルギーを
この流水中に吸収蓄積して排除することができ、
外部における人体への悪影響を確実に防止し得る
と共に周辺機器に対する障害も防止することがで
きる。

特に、本発明装置は、構成が簡単であり、給水
の停止によつて被加工物の取出しや交換等の作業
性も良好であり、低コストで経済的に有利なレー
ザ加工機用遮光装置を実現することができる。

また、本発明装置の実施に際し、ウオータカー
テンを形成する水中に防錆剤を混入することによ
り、周辺機器や被加工物の防錆を有効に達成でき
る。さらに、ウオータカーテンの水膜形成を良好
にするため、水入に界面活性剤を適量混入して表
面張力作用を強化するようにすれば好適である。

以上、本発明の好適な実施例について説明した
が、本発明の精神を逸脱しない範囲内において
種々の設計変更をなし得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は鏡面仕上げされた各種金属の表面にお
けるレーザ光の波長−反射率特性曲線図、第２図
は各種金属に対するレーザ光の波長−出力特性曲
線図、第３図は水膜によるレーザ光の波長−透過
率特性曲線図、第４図は本発明に係る熱線の遮光
装置の一実施例を示す構成略図、第５図および第
６図は第４図に示す被覆体の変形例をそれぞれ示
す説明図、第７図および第８図は第４図に示す水
受体のそれぞれ変形例を示す説明図、第９図は第
４図に示す被覆体の別の実施例を示す要部断面図
である。 １０……被加工物、１２……周辺機器、１４…
…載置台、１６……被覆体、１８……レーザ光、
２０……導入口、２２……水供給口、２４……内
部空間、２６……ウオータカーテン、２８……水
噴出口、３０……水受体、３２……導管、３４…
…ポンプ、３６……導管、３８……熱交換器、４
０……反射光、４２……中空円筒部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 載置台に載置した被加工物にレーザ光を照射
   して溶接や溶断等の加工を行うレーザ加工機にお
   いて、被加工物の上方に被覆体を配置し、この被
   覆体の外周縁部の下方に前記被加工物を囲繞する
   よう流下水によるウオータカーテンを形成するこ
   とを特徴とする熱線の遮光装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の遮光装置におい
   て、ウオータカーテンは２重もしくはそれ以上の
   多重層に形成してなる熱線の遮光装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の遮
   光装置において、被覆体は円錐形二重構造からな
   り、中央部にレーザ光の導入口を設けると共にこ
   の導入口に近接して内部空間と連通する水供給口
   を設け、さらに外周縁部にウオータカーテンを形
   成するための水噴出口を設け、一方前記被覆体の
   下方に水噴出口と対向して水受体を設け、この水
   受体に回集した水を前記水供給口へ循環する手段
   を設けてなる熱線の遮光装置。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の遮
   光装置において、被覆体は円錐形構造からなり、
   中央部にレーザ光の導入口を設けると共に外周縁
   部にウオータカーテンを形成するための水噴出口
   を備えた中空円筒部を設け、この円筒部の一部に
   内部空間と連通する水供給口を設け、一方前記被
   覆体の下方に水噴出口と対向して水受体を設け、
   この水受体に回集した水を前記水供給口へ循環供
   給する手段を設けてなる熱線の遮光装置。 ５ 特許請求の範囲第３項または第４項記載の遮
   光装置において、被覆体に設けた水噴出口を水平
   面に対し所定方向に傾斜するよう構成してなる熱
   線の遮光装置。 ６ 特許請求の範囲第３項または第４項記載の遮
   光装置において、水受体は、被加工物を載置する
   載置台の外周に囲繞配置し、その一部から導管を
   導出すると共にポンプおよび熱交換器を介して被
   覆体の水供給口に連通接続してなる熱線の遮光装
   置。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか
   に記載の遮光装置において、ウオータカーテンを
   形成する水に防錆剤を混入してなる熱線の遮光装
   置。 ８ 特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか
   に記載の遮光装置において、ウオータカーテンを
   形成する水に界面活性剤を混入してなる熱線の遮
   光装置。