JPH07155977A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光学系の汚染、損傷を防止し、溶接品質を向
上させることのできるレーザ加工ヘッドを提供する。 【構成】 レーザビーム透過孔を有し、被加工物（４）
のレーザ加工点を覆設し、内部を非酸化性雰囲気にする
ためのシールドボックス（９）と、前記シールドボック
スとの間に開空間を有するように所定距離をおいて設け
られた、レーザビームを前記レーザ加工点に集光するた
めの光学系と、前記光学系の直下に設けられた、レーザ
ビームの光軸に直交または略直交するようにガスを吹き
出すノズル（６）と、レーザビーム透過孔周囲に円環状
に配置され、レーザ加工部に向かってガスを吹き出す他
のノズル（１３）とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工ヘッドに関
し、特にレーザ加工時に発生するスパッタ、ヒューム等
によるレーザ加工ヘッドの光学系の汚染を防止すること
ができるレーザ加工ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３を参照して、従来のレーザ加工ヘッ
ドの概略を説明する。同図に示すようにノズル５１の内
部にはレーザ光源からのレーザビーム光５２を集光する
集光レンズ５３が設けられている。集光レンズ５３によ
り、被加工物５４にレーザビーム光５２を集光し、その
とき得られる高エネルギ密度の熱源により、溶融、切断
等の加工を行っている。

【０００３】このレーザ加工の際、加工部の酸化を防止
するために、通常、被加工物５４の表面をシールドボッ
クス５５で覆い、非酸化性雰囲気にしている。例えば、
シールドボックス５５内に不活性ガス等のシールドガス
５５ａを導入する。

【０００４】レーザ加工時には、ヒューム、スパッタ等
が発生し、集光レンズ５３等の光学系に付着して光学系
を汚染する。この汚染を防止するために、集光レンズ５
３近傍にガス導入口５６を設けてガスを導入し、レンズ
等を保護している。このガス導入口５６から導入された
ガスは、ノズル５１の先端から吹き出すため、レーザ加
工を正常に保つためには、あまり量を多く流すことがで
きない。

【０００５】このため、このガス流は金属酸化物等の極
微細粒であるヒュームの侵入を防止することは可能であ
るが、微細溶融金属でかつ上方へ向かっての大きな運動
量を有するスパッタ５７の侵入を防ぐことはできない。

【０００６】図４は、発生したスパッタが光学系へ侵入
する問題点を回避することができる従来例を示す。同図
に示すように、図３のガス導入口５６の代わりにノズル
５１の先端近傍にガス噴出ノズル５８が設けられてい
る。

【０００７】レーザ加工によって発生したスパッタは、
ガス噴出ノズル５８から噴出したガス流によって進行方
向を変えられる。このため、スパッタがノズル５１内に
侵入することを防止でき、スパッタによる光学系の汚染
を防止することができる。

【０００８】しかし、ガス噴出ノズル５８から噴出され
るガスによってシールドボックス５５内の気流が乱され
る。このため、大気の巻き込み等によって溶接部５９の
加工時における酸化が生じやすくなる。

【０００９】また、図３に示すように、レーザ加工ヘッ
ド５１の先端から吹き出されるガスは、光学系の保護以
外に加工部に発生した金属蒸気等を光路内から排出し加
工を安定させる役目も果たしている。しかし、図４のレ
ーザ加工ヘッドでは、金属蒸気等の排気が十分でなくな
り、溶接における溶け込み深さの低下等が生ずる。

【００１０】上記問題点を解決するためのレーザ加工ヘ
ッドに関する発明が特開平５−１８５２６６に開示され
ている。図５は、上記発明のレーザ加工ヘッドを示す。
ノズル５１、集光レンズ５３、シールドボックス５５の
構成は図４に示す従来例と同様である。

【００１１】ノズル５１内にはレーザビーム光１２の光
軸とほぼ直交する方向にガスを吹き出すためのガス吹き
出しノズル６１が、シールドボックス５５の直上に設け
られている。ガス吹き出しノズル６１から吹き出された
ガスは、ガス流Ｇを形成する。

【００１２】レーザ加工位置から上方に飛び出してきた
スパッタ５７は、ガス流Ｇによって進行方向を変化させ
られ、排出孔６２を通してノズル外部へ排出される。こ
のようにして、スパッタによる光学系の汚染を防止する
ことができる。

【００１３】さらに、シールドボックス５５内には、ノ
ズル５１の先端部に斜め下向きに金属蒸気排除ガス６５
ａを吹き出すためのノズル孔６５を有するガス吹き出し
ノズル６６が設けられている。レーザ加工時に発生した
金属蒸気は、ノズル６６から噴出したガスにより光路の
範囲外へ排除される。このため、安定してレーザ加工を
行うことができる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】図５に示す従来例にお
いては、ノズル５１とシールドボックス５５が密閉性を
保って接続されている。そのため、ガス吹き出しノズル
６１からガスを高速で流すと、レーザビーム透過孔から
シールドボックス内の雰囲気ガスを引き込み、レーザプ
ルーム等を光路に引き入れる。

【００１５】ガス吹き出しノズル６６を配置した場合で
も、ノズル６６から多量のガスを流さなければ、シール
ドボックス内の雰囲気ガスの引き込みを防止することは
できない。さらに、シールドボックス内の気流を乱さな
いためには、ガス吹き出しノズル６１からの噴出量とガ
ス吹き出しノズル６６からの噴出量を調整する必要があ
るが、この調整は困難である。

【００１６】また、シールドボックス５５の裾部の磨耗
を防止するために、シールドボックス５５と被加工物５
４との間にギャップを設けることが好ましい。しかし、
ギャップを設けると、ガス流Ｇによるシールドボックス
５５内のガスの排出に伴って、ギャップから大気が流入
する。このため、レーザ加工部が酸化されやすくなる。

【００１７】本発明の目的は、光学系の汚染、損傷を防
止し、溶接品質を向上させることのできるレーザ加工ヘ
ッドを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】以下に、限定的意味では
なく、ただ単に理解の容易のため図面中の符号を付しつ
つ説明する。

【００１９】本発明のレーザ加工ヘッドは、被加工物
（４）のレーザ加工点を覆設し、内部を非酸化性雰囲気
にするためのシールドボックス（９）と、前記シールド
ボックスのレーザビーム透過孔（８）の周囲に設けら
れ、レーザビームの光軸を中心とした円環状のガス噴出
孔（１７、１７ａ）を有し、レーザ加工部に向けてガス
を噴射するための他のノズル（１３）と、前記シールド
ボックスとの間に開空間を有するように所定距離をおい
て設けられた、レーザビームを前記レーザ加工点に集光
するための光学系と、前記光学系の直下に設けられた、
レーザビームの光軸に直交または略直交するようにガス
を吹き出すノズル（６）とを含む。

【００２０】前記ガス噴出孔は、噴出したガス流の方向
が、前記レーザ加工点に向かうように配置してもよい
し、噴出したガス流が前記レーザ加工点から所定距離離
れた略光軸上の点でぶつかり合うように配置してもよ
い。

【００２１】前記シールドボックス内には、レーザ加工
点を取り囲むように配置された多数の孔（１９）を有す
るガス導入手段（１８）を設けることが好ましい。光軸
を加工面に対して斜めに配置してもよい。

【００２２】

【作用】光学系の直下に、レーザビームの光軸に直交ま
たは略直交するようにガスを吹き出すノズルを設けるこ
とにより、レーザ加工点から飛散したスパッタを光路外
に排除することができる。このため、スパッタによる光
学系の汚染、損傷を防止することができる。

【００２３】シールドボックスをガス吹き出しノズルか
ら開空間を介して離し、かつレーザビーム透過孔の周囲
に設けられたノズルからレーザ加工点にガスを吹き付け
ることにより、シールドボックス内を外部から良好に分
離し、レーザ加工によって発生した金属蒸気、レーザプ
ルーム等を光路から排除することができる。このため、
レーザビームの吸収による損失を低減することができ
る。また、円環状のガス吹き出し孔とすることにより、
レーザ加工品質の方向依存性を低減することができる。

【００２４】さらに、シールドボックス内にレーザ加工
点を取り囲むように配置された孔からシールドガスを導
入することにより、シールドボックスを加工面から浮か
せても内部をほぼ均一に非酸化性雰囲気にすることがで
きる。このため、安定性よくレーザ加工点の酸化を抑制
することができる。

【００２５】

【実施例】図１を参照して本発明の実施例によるレーザ
加工ヘッドについて説明する。鏡筒１５の内部に集光レ
ンズ１及び保護ガラス２が配設されている。集光レンズ
１を透過したレーザビーム３は集光され、保護ガラス２
を通過して被加工物４に照射される。

【００２６】鏡筒１５先端部の保護ガラス２の直下に
は、エアーナイフノズル６が設けられている。エアーナ
イフノズル６は、光軸に対して垂直かまたは略垂直にガ
スを噴出し、平板状のエアーナイフガス流７を形成す
る。

【００２７】被加工物４のレーザ加工部近傍は、酸化防
止のため内部にシールドガス１４が充満されたシールド
ボックス９によって覆われている。シールドボックス９
のレーザビーム３が通過する部分には、円錐状のレーザ
ビームを透過させるための円錐状内面を有するレーザビ
ーム透過孔８、及びレーザ加工部に制御ガスを噴出する
ためのノズル孔１７が設けられた制御ノズル１３が配設
されている。

【００２８】制御ノズル１３は、例えば４本の支柱１６
で鏡筒１５に接続され、レーザビーム３の光軸とレーザ
ビーム透過孔８の中心軸が一致するように固定されてい
る。制御ノズル１３に設けられたノズル孔１７は、光軸
を中心とした円環状であり、ノズル孔１７から噴出され
たガスは、円錐の側面状の制御ガス流１２を形成する。
ノズル１３は、制御ガス流１２の円錐状頂点がほぼレー
ザ加工部に位置するように調整されている。

【００２９】シールドボックス９の内面には、シールド
ガス１４を噴出するための多数の噴出孔１９が設けられ
た環状のガス通路１８が光軸を取り囲むように配設され
ている。ガス通路１８には、外部からガス導入管２０を
通してシールドガス１４が供給され、シールドボックス
９内にシールドガス１４が導入される。

【００３０】図１に示すレーザ加工ヘッドにおいては、
レーザ加工中に被加工物４から飛散したスパッタ５は、
エアーナイフガス流７によってレーザ光路の外に排出さ
れる。そのため、スパッタによる保護ガラス２の汚染を
防止することができる。

【００３１】エアーナイフガス流７は、シールドボック
ス９から開空間を隔てた所定の位置に形成されるため、
シールドボックス９内のガスを引き込むことはない。ま
た、エアーナイフガス流７の一部は保護ガラス２にも吹
き付けられるため、保護ガラス２を冷却するという効果
もある。

【００３２】レーザビーム３が照射された被加工物４の
表面で生じる金属蒸気及びレーザプルーム１１は、制御
ガス流１２によって光路外に排除される。これにより、
レーザビーム３が金属蒸気及びレーザプルーム１１によ
って吸収、散乱される量を低減することができる。

【００３３】シールドボックス９内に光軸を取り囲むよ
うに設けられた多数の噴出孔１９からシールドガス１４
を導入することにより、シールドボックス９内を短時間
に、かつほぼ均一に充満させることができる。さらに、
シールドボックス９と被加工物４とを接触させず２〜３
ｍｍ程度の一定のギャップを設けても、十分シールド効
果を保つことができる。ギャップを設けることにより、
シールドボックス９の裾部の磨耗を防止することができ
る。

【００３４】図１のレーザ加工ヘッドを用いて、レーザ
光源として出力２ｋＷのＹＡＧレーザ、エアーナイフガ
スとして乾燥空気、制御ガス及びシールドガスとしてア
ルゴンを使用し、板厚２ｍｍのアルミニウム合金Ａ５０
５２材（ＪＩＳ規格Ｈ４０００）を０．７５ｍ／ｍｉｎ
の速さで貫通溶接したところ、酸化のない良好な溶接が
可能であった。

【００３５】以上、制御ノズル１３のノズル孔１７から
制御ガスを直接レーザ加工部へ向けて噴出する場合につ
いて説明したが、ノズル孔をレーザビーム透過孔８の内
面に設けてもよい。

【００３６】図２は、ノズル孔をレーザビーム透過孔の
内面に設けたレーザ加工ヘッドを示す。光軸を取り囲む
ように円環状のノズル孔１７ａがレーザビーム透過孔８
の内面に開口している。ノズル孔１７ａは、噴出したガ
ス流がシールドボックス９の内部に向かうように光軸に
対して垂直な方向から所定の角度傾いて形成されてい
る。

【００３７】ノズル孔１７ａから噴出した制御ガスは、
光軸近傍でぶつかり合い光軸に沿って被加工物４のレー
ザ加工部方向に流れる。このように、レーザビーム透過
孔８の内面に開口したノズル孔１７ａから制御ガスを噴
出しても、図１の場合と同様の効果を得ることができ
る。

【００３８】図１、図２においては、レーザビームの光
軸が被加工物４表面に対する法線方向から所定の角度傾
いた場合について示している。これは、レーザ光に対す
る被加工物表面の反射率が大きい場合に、加工物表面か
らの反射光が鏡筒１５内に入射しないようにするためで
ある。被加工物表面の反射率が小さい場合には、光軸を
傾けなくてもよい。

【００３９】また、制御ノズル１３、１３ａのノズル孔
１７、１７ａが円環状の場合について説明したが、金属
蒸気等を排除できれば必ずしも円環状である必要はな
い。例えば、円周上に複数のノズル孔を配置してもよ
い。

【００４０】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ溶接や肉盛等のプロセスにおいて材料を溶融させ
る際に、溶融部の酸化を防ぎ溶融品質を向上させるとと
もに、光学系の汚染、損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザ加工ヘッドの断面
図である。

【図２】本発明の実施例の変形例によるレーザ加工ヘッ
ドの断面図である。

【図３】従来例によるレーザ加工ヘッドの断面図であ
る。

【図４】従来例によるレーザ加工ヘッドの断面図であ
る。

【図５】従来例によるレーザ加工ヘッドの断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 集光レンズ ２ 保護ガラス ３ レーザビーム ４ 被加工物 ５ スパッタ ６ エアーナイフノズル ７ エアーナイフガス流 ８ レーザビーム透過孔 ９ シールドボックス １１ レーザプルーム １２ 制御ガス流 １３、１３ａ 制御ノズル １４ シールドガス １５ 鏡筒 １６ 支柱 １７、１７ａ ノズル孔 １８ ガス通路 １９ 噴出孔 ２０ ガス導入管 ５１ ノズル ５２ レーザビーム光 ５３ 集光レンズ ５４ 被加工物 ５５ シールドボックス ５５ａ シールドガス ５６ ガス導入口 ５７ スパッタ ５８ ガス噴出ノズル ５９ 溶接部 ６１ ガス吹き出しノズル ６２ 排出孔 ６５ ノズル孔 ６５ａ 金属蒸気排出ガス ６６ ガス吹き出しノズル

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビーム透過孔（８）を有し、被加
   工物（４）のレーザ加工点を覆設し、内部を非酸化性雰
   囲気にするためのシールドボックス（９）と、 前記シールドボックスとの間に開空間を有するように所
   定距離隔てて設けられた、レーザビームを前記レーザ加
   工点に集光するための光学系と、 前記光学系の直下に設けられた、レーザビームの光軸に
   直交または略直交するようにガスを吹き出すためのノズ
   ル（６）と前記シールドボックスのレーザビーム透過孔
   の周囲に配置され、レーザビームの光軸を中心とした円
   環状のガス噴出孔（１７、１７ａ）を有し、レーザ加工
   部に向けてガスを噴射するための他のノズル（１３）と
   を含むレーザ加工ヘッド。
2. 【請求項２】 前記ガス噴出孔は、噴出したガス流の方
   向が、前記レーザ加工点に向かうように配置されている
   請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 【請求項３】 前記ガス噴出孔は、噴出したガス流が前
   記レーザ加工点から所定距離隔てた略光軸上の点でぶつ
   かり合うように配置された請求項１記載のレーザ加工ヘ
   ッド。
4. 【請求項４】 前記シールドボックス内には、前記レー
   ザ加工点を取り囲むように配置された多数の孔（１９）
   を有するガス導入手段（１８）が設けられている請求項
   １〜３のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。
5. 【請求項５】 前記シールドボックス下面の方線に対し
   てレーザビームの光軸が傾いて設定されている請求項１
   〜４のいずれかに記載のレーザ加工ヘッド。