JPH1034372A

JPH1034372A - レーザ加工用ヘッド

Info

Publication number: JPH1034372A
Application number: JP8190571A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Matsuhiro; 克之松廣; Hirotsugu Inaba; 洋次稲葉
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2016-07-19
Also published as: JP3139379B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ加工用ヘッドを提供する。【解決手段】トーチに、その集光光学系の側からその先
端側に向かい、吸引装置に連結されたガス排出口と、第
１の加工用ガスをレーザビームの光軸心に対してほぼ直
交する方向に供給する第１のガス導入口と、第２の加工
用ガスをレーザビームの進行方向へ向かって斜めに供給
する第２のガス導入口と順次配置する。【効果】ビーム伝送管側への加工用ガス流入を確実に防
ぎ、かつトーチ先端から高純度な加工ガスを噴出させる
ことが可能である。この結果、加工ガスにＨｅガスを用
いる大出力レーザ加工ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工用ヘッ
ドにかかわり、特に、加工用ガスとしてＨｅを用いる場
合に有用なレーザ加工用ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接や溶断などのレーザ加工に用いられ
る加工装置は、加工ヘッドと称される部材を備える。こ
の加工ヘッドは、通常、集光光学系の保持、加工用ガス
の噴出とその純度確保、および集光光学系の汚染防止な
どの役割を担う。これらの役割を十分に発揮させるため
に開発された加工ヘッドとしては、次のようなものがあ
る。

【０００３】二重構造のトーチ先端からシールドガス
を噴射するようにした光学系にミラーを用いた加工ヘッ
ドであり、この場合、その噴射流によってヘッド内のパ
ージ用ガスである空気が溶接部に吸引導入されて溶接部
の品質が低下するので、これを防ぐために光学系とヘッ
ドとの間にレーザビームの軸心に対してほぼ直交する方
向に不活性ガスの高速気流を形成させ、この高速気流に
よってヘッド内の空気をトーチ基端側に吸引してヘッド
内から排出するようにしたもの（特開昭５８−１１９４
８５号公報）。

【０００４】二重構造のトーチ先端から同心状の加工
用ガスと補助加工用ガスを噴射するようにした光学系に
レンズを用いた加工ヘッドであり、被加工材の裏面にド
ロスを付着させないために、加工用ガス噴射用のトーチ
先端位置よりも補助加工用ガス噴射用のトーチ先端位置
を０．５〜５ｍｍ突出させたもの（特開平５−８４５８
９号公報）。

【０００５】光学系にレンズを用いた加工ヘッドであ
り、トーチに、その基端側からトーチ先端側に向かって
パージ用ガス排出口と、レーザビームの光軸心に対して
ほぼ直交する方向に加工用ガスを供給する２段のガス導
入口を設けることにより、光学系やビーム伝送管内に加
工用ガスが逆流してレーザビームが減衰散逸しないよう
にするとともに、トーチ先端から噴出する加工用ガスの
高純度化を図るようにしたもの（特開平５−２４５６８
６号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の加工
ヘッドは、例えば１０ｋＷ程度のレーザ出力で溶接した
場合、多量のヒュームや高速のスパッタが加工ヘッド内
へ飛散流入するが、これらを高速気流で確実に阻止する
ことができず、光学系を十分に保護することができない
という欠点を有している。また、上記の加工ヘッド
は、集光光学系にレンズを用いたものであり、レーザの
出力を大きくするとレンズに熱歪み生じるので、大出力
レーザでの加工には適さないという欠点を有している。

【０００７】これに対し、上記の加工ヘッドは、上記
いずれの欠点も有せず、大出力レーザでの加工が可能で
あるという利点を有している。ところが、この加工ヘッ
ドは、プラズマの発生をより効果的に抑制するために加
工用ガスとしてＨｅを用い、かつその流量を増加させる
と、次に述べる欠点のあることが明らかとなった。

【０００８】図５は、上記の公報に示される加工ヘッ
ドＨを示す模式的縦断面図である。

【０００９】図５に示すように、その加工ヘッドＨは、
ビーム伝送管Ｔ、ミラーＭからなる集光光学系およびト
ーチＮで構成されている。そして、トーチＮには、ビー
ム伝送管Ｔに設けられたガス導入口９から供給されるＡ
ｒやＮ₂ あるいは乾燥空気などのパージ用ガスを排出す
る大気開放のガス排出口６と、加工用ガスをレーザビー
ムの光軸心に対してほぼ直交する方向に噴射する第１の
ガス導入口７と第２のガス導入口８とが、集光光学系の
側からその先端側に向かって順次設けられている。

【００１０】上記のように構成された加工ヘッドＨで
は、プラズマの発生をより効果的に抑制するためには、
前述したように、加工用ガスにＨｅを用るとともに、ト
ーチＮの先端から噴出するガス流ａの流速を上げる必要
がある。そのためには、トーチＮの先端側に設けられた
第２のガス導入口８から供給するＨｅガスの流量を増加
させる必要がある。しかし、第２のガス導入口８からの
ガス供給量を増加させると、上記のガス流ａとは逆方向
のガス流ｂも強くなる。この結果、このガス流ｂが強く
なるのに伴ってトーチＮの基端側に逆流した加工用のＨ
ｅガスがガス排出口６から完全に排出されず、集光光学
系およびビーム伝送管Ｔ内へ多量に流入する。

【００１１】ところが、ＡｒやＮ₂ あるいは乾燥空気な
どからなるパージ用ガスで満たされた集光光学系および
ビーム伝送管Ｔ内に加工用のＨｅガスが混入すると、Ｈ
ｅとパージ用ガスとの誘電率差が大きいためにレーザビ
ームが異常屈折してその光軸心が変動し、加工点に狂い
が生じるという欠点があった。また、その光軸心の変動
が極端な場合には、ミラーＭ以外の集光光学系の構成部
材およびビーム伝送管Ｔ自体にレーザビームが直射され
て外部に飛散し、極めて危険な状態になるという、安全
上の問題があった。

【００１２】本発明は、上記の実情に鑑みてなされたも
ので、その課題は、プラズマ抑制効果に優れ、かつ加工
用ガスが集光光学系およびビーム伝送管へ流入する恐れ
がなく、大出力レーザでの加工が可能なレーザ加工用ヘ
ッドを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、次の
（１）および（２）のレーザ加工用ヘッドにある。

【００１４】（１）パージ用ガスを供給するガス導入口
を有するビーム伝送管と、レーザビームをミラーにより
集光する集光光学系と、集光されたレーザビームを被加
工材料に導くトーチとを備えるレーザ加工用ヘッドであ
って、前記のトーチが、集光光学系の側からその先端側
に向かって順次配置された、主としてパージ用ガスを排
出する吸引装置に連結されたガス排出口と、第１の加工
用ガスをレーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方
向に供給する第１のガス導入口と、第２の加工用ガスを
レーザビームの進行方向へ向かって斜めに供給する第２
のガス導入口とを具備することを特徴とするレーザ加工
用ヘッド。

【００１５】（２）パージ用ガスを供給するガス導入口
を有するビーム伝送管と、レーザビームをミラーにより
集光する集光光学系と、集光されたレーザビームを被加
工材料に導くトーチとを備えるレーザ加工用ヘッドであ
って、前記のトーチが、集光光学系の側からその先端側
に向かって順次配置された、主としてパージ用ガスを排
出するいずれか一方または両方が吸引装置に連結された
上下２段のガス排出口と、この上下２段のガス排出口の
中間部においてパージ用ガスまたは加工用ガスと同じガ
スをレーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方向に
供給する遮蔽ガス導入口と、第１の加工用ガスをレーザ
ビームの光軸心に対してほぼ直交する方向に供給する第
１のガス導入口と、第２の加工用ガスをレーザビームの
進行方向へ向かって斜めに供給する第２のガス導入口と
を具備することを特徴とするレーザ加工用ヘッド。

【００１６】上記本発明のレーザ加工用ヘッドは、本発
明者らが多くの実験研究を行った結果、次のことを知見
してなされた。

【００１７】すなわち、大出力のレーザ加工において
は、上記レーザビームの異常屈折に伴う問題を確実にさ
けるため、前述の図５に示す加工ヘッドＨでは、第１の
ガス導入口７からＨｅガスとは異なるＡｒガスや窒素ガ
スを供給する必要がある。

【００１８】一方、上記トーチＮの先端部におけるガス
流ｂを生じさせることなくガス流ａの流速を高めるため
には、第２のガス導入口８をレーザビームの進行方向に
向けて斜め下向きに設ければよい。しかし、この場合に
は、ガス流ａの下向き高速化に伴って第２のガス導入口
８から供給されたガス（Ａｒ、Ｎ₂ ）がガス流ａ中に多
量に巻き込まれ、プラズマ抑制効果がかえって低下す
る。

【００１９】そこで、このガス流ａへの第２のガス導入
口から供給されるガスの巻き込みを防止し、第２のガス
導入口からもＨｅガスを供給できる方法について実験検
討を加えた。その結果、ビーム伝送管Ｔに設けられたガ
ス導入口９から供給されたパージ用ガスを排出するガス
排出口６に吸引装置を連結し、ヘッド内のパージ用ガス
を強制的に排出すると、第２のガス導入口を斜め下向に
した場合にあっても、ガス流ａへの第１のガス導入口７
から供給されたガス巻き込み量が極めて少なくなり、プ
ラズマの発生を抑制できることを知見した。さらに、第
１のガス導入口７からＨｅガスを供給しても、何らの問
題もないことを知見した。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかわるレーザ加
工用ヘッドについて、添付図面を参照して詳細に説明す
る。

【００２１】図１は、本発明にかかわる第１発明の加工
ヘッドの基本的構造を示す模式的縦断面図である。

【００２２】図１に示すように、加工ヘッドＨは、Ａｒ
やＮ₂ あるいは乾燥空気などのパージ用ガスのガス導入
口９を有するビーム伝送管Ｔと、ミラーＭからなる集光
光学系と、トーチＮとからなっている。

【００２３】トーチＮは、上記特開平５−２４５６８６
号公報に示されたトーチと同様に、集光光学系の側から
その先端側に向かって順次配置された主としてパージ用
ガスを排出するガス排出口３と、加工用ガスを供給する
第１のガス導入口４と、同じくおよび加工用ガスを供給
する第２のガス導入口５とを備えている。

【００２４】そして、上記のガス排出口３は、図示しな
い吸引装置に連結されており、トーチＮ内に流入するパ
ージ用ガスと、第１のガス導入口４から供給された加工
用ガスの一部を強制的に排出するようになっている。

【００２５】また、第２のガス導入口４は、集光された
レーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方向に加工
用ガスをその周方向から均等に供給するようになってお
り、上方に分流するガス気流によってトーチＮ内へのパ
ージ用ガスの流入を抑制するようになっている。

【００２６】これに対し、第２のガス導入口５は、斜め
下向きに設けられており、集光されたレーザビームの進
行方向に向かって加工用ガス（Ｈｅガス）を供給できる
ようになっている。

【００２７】上記のように構成された加工ヘッドＨで
は、図中に示す矢符方向のガス流れがそれぞれ生じる。
その結果、加工点から飛散するヒュームやスパッタは、
ガス導入口９からビーム伝送管Ｔ内に供給され、集光光
学系内を通ってトーチＮ内に流入するパージ用ガス流に
より阻止されるので、ミラーＭに付着することがない。

【００２８】また、トーチＮ内に流入するパージ用ガス
は、トーチＮの基端部に設けられ、吸引装置に連結され
たガス排出口３から強制的に排気されるので、第１およ
び第２のガス導入口４および５から供給される加工用ガ
スに混入してトーチＮの先端から吹き出すことがない。

【００２９】さらに、第１のガス導入口４から供給され
て上下に分流する加工用ガスは、第２のガス導入口５が
下向きであるため、上方に分流するガス量が極めて少な
くなる。そして、この上向きに分流した少量の加工用ガ
スは、吸引装置に連結されたガス排出口３から強制的に
排気される。このため、加工用ガスが集光光学系および
ビーム伝送管Ｔ内に流入することがないので、第１のガ
ス導入口４からもＨｅガスを供給することが可能とな
る。この結果、トーチＮの先端からは高純度なＨｅガス
が噴出するようになり、プラズマの発生が確実に抑制さ
れ、大出力レーザでの加工を何らの問題もなく行うこと
が可能になる。

【００３０】ここで、第２のガス導入口５の設置角度θ
は、特に規定する必要はないが、８０°以下とするのが
好ましい。すなわち、その角度θが８０°を超えると、
下向きガス流速の増速程度が小さく、十分なプラズマ抑
制効果の向上が望めない。

【００３１】また、第１のガス導入口４は、レーザビー
ムの軸心、換言すればトーチＮの軸心に対してほぼ直交
する方向にガスを供給できればよく、必ずしもその軸心
をトーチＮの軸心に対する垂線に一致させて設ける必要
はなく、前記の垂線に対して±１０°の範囲内であれば
上下いずれかの方向に若干傾けて設置しもよい。しか
し、上下に均等なガス分流を形成させるためには、その
軸心を上記の垂線に一致させて設けるのが最も望まし
い。

【００３２】以上説明したように、本発明にかかわる第
１発明の加工ヘッドＨは、第１のガス導入口４からもＨ
ｅガスを供給することが可能である。

【００３３】しかしながら、Ｈｅガスは、ＡｒやＮ₂ あ
るいは乾燥空気などのパージ用ガスに比べて比重が小さ
く、加工ヘッド内を上昇しやすいという特性を有してい
る。このため、第１および第２のガス導入口４および５
から供給するＨｅガスの流量とその流量バランスによっ
ては、第１のガス導入口４から供給されるＨｅガスの上
向き気流が強くなることがある。この場合、ガス排出口
が１段のみでは、たとえ吸引装置を用いて強制的に排気
したとしても排気が十分にはなされず、集光光学系およ
びビーム伝送管Ｔ内にＨｅガスが流入することがある。

【００３４】このため、この第１発明の加工ヘッドＨで
は、第１および第２のガス導入口４および５から供給す
るＨｅガスの流量とその流量バランスを適正に管理する
ことが肝要である。しかし、その流量が８０Ｎ（ノルマ
ル）リットル／ｍｉｎ以下であれば、両者のガス導入口
４および５から同じ量のＨｅガスを供給しても上記の問
題は生じない。また、そのガス流量が８０Ｎ（ノルマ
ル）リットル／ｍｉｎ超では、第１のガス導入口４から
の供給量を第２のガス導入口５からの供給量未満にすれ
ば、上記の問題は生じない。

【００３５】ところが、上記前者の場合には、出力が１
０ｋＷ以上の炭酸ガスレーザ溶接時に十分なプラズマ抑
制効果が得られないことがあり、また後者の場合には、
トーチ先端から噴出する加工ガスの純度が低下すること
があって不十分である。

【００３６】しかし、図２に示す本発明にかかわる第２
発明の加工ヘッドＨとする場合には、そのガス流量が８
０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎ超であっても、第１
のガス導入口４と第２のガス導入口５から同量のＨｅガ
スを供給しても上記の問題は生じない。

【００３７】図２は、本発明にかかわる第２発明の加工
ヘッドの基本的構造を示す模式的縦断面図である。

【００３８】図２に示すように、この第２発明の加工ヘ
ッドＨは、上下２段に分けて配置されたガス排出口１お
よび３を備え、かつその中間部に配置された遮蔽ガス導
入口２を備えた点を除けば、前述の図１に示した第１発
明の加工ヘッドＨとその構造は同じである。

【００３９】すなわち、図１に示す第１発明の加工ヘッ
ドを構成するトーチＮの長さを若干長くし、図示しない
吸引装置に連結されたガス排出口３の上方に、大気開放
のガス排出口１が配置されており、このガス排出口１と
吸引装置に連結されたガス排出口３との中間部に遮蔽ガ
ス導入口２が配置された構造である。そして、遮蔽ガス
導入口２は、集光されたレーザビームの光軸心に対して
ほぼ直交する方向にパージ用ガスまたは加工用ガスと同
じガスを供給するようになっている。

【００４０】この図２に示す第２発明の加工ヘッドＨに
よれば、図１に示す第１発明の加工ヘッドＨに比べ、加
工用ガスのＨｅガスが集光光学系およびビーム伝送管Ｔ
内に流入するのをより確実に防ぐことが可能である。そ
の理由は、次のとおりである。

【００４１】すなわち、Ｈｅガスは、ＡｒやＮ₂ あるい
は乾燥空気などのパージ用ガスに比べて比重が小さく、
加工ヘッド内を上昇しやすい。このため、Ｈｅガス供給
量を多くし、かつ第１と第２のガス導入口４からの供給
量を同じにすると、第１のガス導入口４から供給された
Ｈｅガスの上向き気流が強くなり、吸引装置に連結され
たガス排出口３のみでは排気が十分にはなされず、集光
光学系およびビーム伝送管Ｔ内にＨｅガスが流入する。

【００４２】ところが、上記したように、吸引装置に連
結されたガス排出口３の上方（トーチＮの基端側）に、
レーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方向にパー
ジ用ガスまたは加工用ガスと同じガスを供給する遮蔽ガ
ス導入口２を介して大気開放のガス排出口１を配置した
場合には、遮蔽ガス導入口２から供給されて上下に分流
するガスの下向き気流によって第１のガス導入口４から
供給される加工用ガスの上昇が阻止され、吸引装置に連
結されたガス排出口３から確実に排出される。

【００４３】また、遮蔽ガス導入口２から供給されて上
下に分流した上向きガス気流は、集光光学系を通ってト
ーチＮ内に流入するパージ用ガスとともに大気開放のガ
ス排出口１から排出される。

【００４４】この結果、図２に示す第２発明の加工ヘッ
ドＨによれば、図１に示す第１発明の加工ヘッドＨに比
べ、第１のガス導入口４から供給された加工用ガスが集
光光学系およびビーム伝送管Ｔ内に流入するのをより確
実に防ぐことができるためである。

【００４５】なお、遮蔽ガス導入口２から供給するガス
は、上記したように、パージ用ガスまたは加工用ガスの
いずれであってもよい。しかし、トーチＮの先端から噴
出するガスの純度をより高純度にする観点からは、第１
および第２のガス導入口４および５から供給する加工用
ガス（Ｈｅ）と同じガスとするのが好ましく、これとは
逆に、集光光学系およびビーム伝送管Ｔ内へのＨｅガス
流入をより確実に防ぐ観点からは、ＡｒやＮ₂ あるいは
乾燥空気などのパージ用ガスとするのが好ましい。

【００４６】また、遮蔽ガス導入口２は、第１のガス導
入口４と同様に、レーザビームの軸心、換言すればトー
チＮの軸心に対してほぼ直交する方向にガスを供給でき
ればよく、必ずしもその軸心をトーチＮの軸心に対する
垂線に一致させて設ける必要はなく、前記の垂線に対し
て±１０°の範囲内であれば上下いずれかの方向に若干
傾けて設置しもよい。しかし、上下に均等なガス分流を
形成させるためには、その軸心を上記の垂線に一致させ
て設けるのが最も望ましい。

【００４７】さらに、図２に示す例では、ガス排出口３
のみに吸引装置を連結したが、ガス排出口３を大気開放
とし、ガス排出口１に吸引装置を連結してもよく、さら
には両方のガス排出口１および３に吸引装置を連結して
もよい。特に、両方のガス排出口１および３に吸引装置
を連結した場合には、上記の遮蔽ガス導入口２から、第
１および第２のガス導入口４および５から供給する加工
用ガス（Ｈｅ）と同じガスを供給する場合にも、このガ
スが集光光学系およびビーム伝送管Ｔ内に流入するのを
より確実に防ぐことが可能である。このため、両者のガ
ス排出口１および３に吸引装置を連結するのが最も好ま
しい。

【００４８】

【実施例】本発明の加工ヘッドとして図３に示すトーチ
を備える第２発明の加工ヘッド（上記の図２に相当）
と、従来の加工ヘッドとして図４に示すトーチを備える
加工ヘッド（図５に相当）を作成準備した。

【００４９】なお、図３に示すトーチは、ガス排出口１
には周方向に摺動する開閉蓋が、遮蔽ガス導入口２には
開閉自在な弁がそれぞれ設けれれており、両者を閉じる
ことにより、上記図１に示す本発明の第１発明の加工ヘ
ッドになるようになっている。

【００５０】また、図３および図４に示すように、各ガ
ス導入口２、４、５、７および８は、いずれもトーチＮ
の内部に環状のヘッダを備え、このヘッダに穿設された
多数の孔からトーチの中心部に向けて周方向均一にガス
を供給できるようになっている。ただし、図４のガス導
入口８の環状ヘッダと円周方向に穿設された多数の孔に
ついては図示していない。

【００５１】大気開放のガス排出口１および６は、周方
向に長い孔であり、周方向に等配設されている。これに
対し、図示しない吸引装置に連結されたガス排出口３
は、ガス導入口２、４、５、７および８と同様に、多数
の孔が穿設された環状ヘッダを備えており、トーチの中
心部から半径方向に向けて周方向均一にガスを吸引排出
できるようになっている。

【００５２】上記のような構造のトーチＮを備える本発
明の加工ヘッドと従来の加工ヘッドを用い、肉厚３０ｍ
ｍの低炭素鋼を対象に、表１に示す種々の条件で、ビー
ドオンプレートのレーザ溶接を行った。

【００５３】この時、いずれの場合も、レーザの出力は
２０ｋＷ、溶接速度は５ｍ／ｍｉｎとした。また、ビー
ム伝送管内には、パージ用ガスとして、１００Ｎ（ノル
マル）リットル／ｍｉｎ一定の乾燥空気を供給した。

【００５４】そして、評価項目としては、トーチの先端
から噴射されたガス組成、ビーム伝送管内のＨｅ濃度お
よび溶け込み深さを調べた。なお、トーチの先端から噴
射されたガス組成およびビーム伝送管内のＨｅ濃度は、
加工点付近のガスおよびビーム伝送管内のガスをピペッ
トを用いて採取し、質量分析計を用いて測定した。

【００５５】その結果を、各ガス導入口からの供給ガス
種と流量、およびガス排出口からの排出ガス流量分と合
わせて、表１に示した。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１に示す結果から明らかなように、図４
の従来の加工ヘッドでは、第１のガス導入口７からＨｅ
ガスを供給できないためにＡｒガスを供給した。その結
果、第１のガス導入口７からのＡｒガス供給流量と、第
２のガス導入口８からのＨｅガス供給流量とを８０Ｎ
（ノルマル）リットル／ｍｉｎと同じにした場合には、
ビーム伝送管内のＨｅ濃度は０（ゼロ）であった。しか
し、トーチの先端から噴射されたガス中の酸素濃度は７
ｐｐｍと少ないものの、２６％という多量のＡｒガスが
混入していた。この結果、プラズマの発生が著しく、溶
け込み深さが８．７ｍｍと浅く、レーザの貫通能が低か
った（No. ５参照）。

【００５８】また、レーザの貫通能を高めるため、第２
のガス導入口８からのＨｅガス供給量を１２０Ｎ（ノル
マル）リットル／ｍｉｎにする反面、ビーム伝送管内へ
のＨｅガス流入を減らすべく、第１のガス導入口７から
のＡｒガス供給量を２０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉ
ｎと少なくしたにもかかわらず、伝送管内のＨｅ濃度は
２．９％と極めて高くなった。また、トーチの先端から
噴射されたガス中のＡｒ濃度は、第１のガス導入口７か
らのＡｒガス供給量を少なくしたために６％と低かった
が、酸素濃度が４％と多く、パージ用ガスが多量に流入
した。この結果、レーザビームが異常屈折し、その一部
がミラーからはずれ、ミラーの周囲に設けられた安全装
置であるビーム検出器にあたってレーザ発振器が停止
し、溶接することができなかった（No. ６参照）。

【００５９】なお、データの記載は省略するが、この従
来の加工ヘッドの第１のガス導入口７からＨｅガスを供
給したところ、ビーム伝送管内のＨｅ濃度が極端に高く
なり、上記No. ６と同様にレーザ発振器が停止した。

【００６０】これに対し、図２中のガス排出口１と遮蔽
ガス導入口２とを閉じ、ガス排出口３を開いた状態にし
た本発明の加工ヘッド（図１相当）では、第１のガス導
入口４と第２のガス導入口５からのＨｅガス供給流量と
を４０〜８０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎの範囲で
同じにする一方、ガス排出口３から１２０〜１４０Ｎ
（ノルマル）リットル／ｍｉｎの範囲で排気した場合に
は、ビーム伝送管内のＨｅ濃度は０（ゼロ）で、かつト
ーチの先端から噴射されたガス中の酸素濃度は７ｐｐｍ
と少なかった。この結果、プラズマの発生が十分抑制さ
れ、溶け込み深さが１２ｍｍと深く、レーザの貫通能が
高かった（No. １参照）。

【００６１】また、No. １と同様状態で、第１のガス導
入口４からは８０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎ、第
２のガス導入口５からは加工点付近のシールド範囲を広
くするために１２０（ノルマル）リットル／ｍｉｎのＨ
ｅガスをそれぞれ供給する一方、ガス排出口３から１６
０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎで排気した場合に
は、ビーム伝送管内のＨｅ濃度は０（ゼロ）であった。
しかし、第２のガス導入口５からのＨｅガス供給量が若
干多すぎたためにパージ用ガスが巻き込まれ、トーチの
先端から噴射されたガス中の酸素濃度が１５０ｐｐｍと
若干高かった。この結果、溶金に若干の酸化が認められ
たものの、プラズマの発生が可及的に抑制され、溶け込
み深さが１２ｍｍと深く、レーザの貫通能は高かった
（No. ２参照）。

【００６２】さらに、図２中のガス排出口１と遮蔽ガス
導入口２とを開き、上下２段のガス排出口１および３
と、その中間部に遮蔽ガス導入口２を配置した本発明の
加工ヘッド（図２に相当）では、遮蔽ガス導入口２から
８０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎのＡｒガス、第１
のガス導入口４と第２のガス導入口５とからそれぞれ１
２０Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎのＨｅガスを供給
する一方、ガス排出口３から１８０Ｎ（ノルマル）リッ
トル／ｍｉｎで強制排気した場合には、ビーム伝送管内
のＨｅ濃度は０（ゼロ）で、かつトーチの先端から噴射
されたガス中の酸素濃度が７ｐｐｍと低く、かつＡｒガ
スも全く混入していなかった。この結果、プラズマの発
生が抑制され、溶け込み深さが１２ｍｍと深く、レーザ
の貫通能が高かった（No. ４参照）。

【００６３】一方、上記No. １および２と同様状態で、
第１のガス導入口４と第２のガス導入口５から１２０Ｎ
（ノルマル）リットル／ｍｉｎの同じ量のＨｅガスを供
給する一方、ガス排出口３から１８０Ｎ（ノルマル）リ
ットル／ｍｉｎの範囲で排気した場合では、トーチの先
端から噴射されたガス中の酸素濃度が７ｐｐｍと低くか
った。しかし、その供給量が若干多くかつその量バラン
スが不適切であったため、ビーム伝送管内のＨｅ濃度が
１．３％と高かった。この結果、レーザビームが異常屈
折して加工点に対するレーザビームのアライメントが変
動し、溶け込み深さが７〜１０ｍｍとばらついて不安定
となった。

【００６４】

【発明の効果】本発明のレーザ加工用ヘッドによれば、
加工用ガスにＨｅガス用いる大出力レーザ加工時に、加
工点に対してプラズマ発生を十分に抑制し得る流速の高
純度Ｈｅガスを噴出させることが可能である。また、Ｈ
ｅガスのビーム伝送管側への流入を確実に防ぐことが可
能で、高い貫通能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工用ヘッドの基本的構造を示
す模式的縦断面図である。

【図２】本発明の他のレーザ加工用ヘッドの基本的構造
を示す模式的縦断面図である。

【図３】本発明のレーザ加工用ヘッドの具体的構造の一
例を示す部分縦断面図である。

【図４】本発明の他のレーザ加工用ヘッドの具体的構造
の一例を示す部分縦断面図である。

【図５】従来のレーザ加工用ヘッドの基本的構造を示す
模式的縦断面図である。

【符号の説明】

１；大気開放のガス排出口、２；遮蔽ガス導入口、３；吸引装置に連結されたガス排出口、４；加工用ガスの第１のガス導入口、５；加工用ガスの第２のガス導入口、６；大気開放のガス排出口、７；加工用ガスの第１のガス導入口、８；加工用ガスの第２のガス導入口、９；パージ用ガスのガス導入口、Ｈ；加工ヘッド、Ｔ；ビーム伝送管、Ｎ；トーチ、Ｍ；ミラー。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パージ用ガスを供給するガス導入口を有す
るビーム伝送管と、レーザビームをミラーにより集光す
る集光光学系と、集光されたレーザビームを被加工材料
に導くトーチとを備えるレーザ加工用ヘッドであって、
前記のトーチが、集光光学系の側からその先端側に向か
って順次配置された、主としてパージ用ガスを排出する
吸引装置に連結されたガス排出口と、第１の加工用ガス
をレーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方向に供
給する第１のガス導入口と、第２の加工用ガスをレーザ
ビームの進行方向へ向かって斜めに供給する第２のガス
導入口とを具備することを特徴とするレーザ加工用ヘッ
ド。
【請求項２】パージ用ガスを供給するガス導入口を有す
るビーム伝送管と、レーザビームをミラーにより集光す
る集光光学系と、集光されたレーザビームを被加工材料
に導くトーチとを備えるレーザ加工用ヘッドであって、
前記のトーチが、集光光学系の側からその先端側に向か
って順次配置された、主としてパージ用ガスを排出する
いずれか一方または両方が吸引装置に連結された上下２
段のガス排出口と、この上下２段のガス排出口の中間部
においてパージ用ガスまたは加工用ガスと同じガスをレ
ーザビームの光軸心に対してほぼ直交する方向に供給す
る遮蔽ガス導入口と、第１の加工用ガスをレーザビーム
の光軸心に対してほぼ直交する方向に供給する第１のガ
ス導入口と、第２の加工用ガスをレーザビームの進行方
向へ向かって斜めに供給する第２のガス導入口とを具備
することを特徴とするレーザ加工用ヘッド。