JP5231711B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工ヘッド特にレーザ切断ヘッドであって、レーザ加工機のビームガイドに対応配置されたハウジング領域と、レーザ加工部に対応配置されたハウジング領域とを備えている形式のものに関する。

レーザ加工ヘッドに使用されている、このような形式の一般的に公知であるレンズ・切断光学系においては、レンズが、ビームガイドと加工室とを互いに分離するようになっている。レーザ切断機においては、ビームガイドが純粋なガスによって掃気され、それによって周囲からの汚れ粒子（例えば切断煤煙）及び不都合な不純物を取り除くようになっている。切断プロセスは、加工ガス（大抵の場合酸素又は窒素）によって、機械的及び化学的に補助される。加工中に、加工ガス室内には数ミリバールの圧力が形成される。

ＣＯ_２レーザ溶接装置においては、ここ２０年以上に亘って集束ミラー若しくは集光ミラーが使用されており、このような集光ミラーは、透過性のレンズと比較して汚れにくい。勿論、複数のミラーを使用することによって、加工側とビームガイド側とを分離することは避けられる。従って偏向光学系はビームガイド内において非常に早期に、例えば加工時の溶接煤煙によって汚されることになる。

より頑丈なミラー光学系を用いることは、レーザ切断においても望まれているが、ビームガイド室と加工側との間の圧力差が非常に大きいので実現が困難である。

集光ミラーの前に、フラットな窓又はＺｎＳｅ窓を付加的に設けることによって、密閉した分離を形成することは公知である。この窓は、切断ガスのための圧力を増大させ、それによってビームガイドと加工側との間の分離も行う。いずれの場合も、透過性部材は汚れ易い。ＺｎＳｅ窓は、温度に基づく屈折率による弱点を有している。このような屈折率による弱点によって、ミラー光学系の使用可能性は、レンズの使用可能性と同様に限定される。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のレーザ加工ヘッド特にレーザ切断ヘッドを改良して、ビームガイドをレーザ加工領域からできるだけ簡単に構造的に分離することができ、１０ｋＷ以上のレーザ出力において使用することができるようなものを提供することである。

この課題は本発明によれば、レーザ加工ヘッド特にレーザ切断ヘッドであって、レーザ加工機のビームガイドに対応配置されたハウジング領域と、数ミリバールの圧力下にあるレーザ加工部に対応配置されたハウジング領域とを備えている形式のものにおいて、レーザビームのための開口絞りが、２つのハウジング領域間の分離装置として設けられており、レーザビームのための開口絞りが、２つのハウジング領域間の分離装置として設けられており、前記ビームガイドが掃気ガスによって、前記レーザ加工部内の圧力よりもやや高い圧力で掃気され、それによって、ビームガイドに対応配置されたハウジング領域内に、レーザ加工部に対応配置されたハウジング領域内と比較してやや高い超過圧力が形成されるようになっていることによって解決された。

開口絞りは、例えば切断ガス、周囲の雰囲気及び切断塵等に対してビームガイドを保護し、かつシールするために使用される。開口絞りは、僅かなガス損失において、ビームガイド内の過圧を可能にし、それによってビームガイド室を、周囲からの流入に対して能動的に保護する。本発明は、レーザ切断ヘッド及びレーザ溶接ヘッドにおいて用いることができる。

レーザビームを偏向させて、中間焦点を生ぜしめるための第１のミラーと、前記中間焦点から発散するレーザビームを方向に偏向させて作業焦点に結像させるための第２のミラーとが設けられていて、開口絞りが中間焦点内に若しくは中間焦点の近傍に配置されていれば、開口絞りの開口を小さく維持することができる。

中間焦点を生ぜしめるために、第１のミラーが放物面鏡であって、第２のミラーが楕円面鏡であってよい。

場合によっては、開口絞りに入射するレーザパワーが開口絞りを加熱することがある。従って、直接又は間接的に開口絞りを冷却するようにすれば有利である。

開口絞りに圧力センサが配置されていれば、発生した体積流量を監視することができる。

加工絞りと切断ノズルとの間の構造スペース内における相応の過圧に基づいて、レーザ加工領域からビームガイド内にガス流が侵入するのを避けるために、環状キャップノズルと開口絞りとの間に負荷軽減開口が設けられている。これによって加工機（例えば穿孔機）から粒子がビームガイド内に達することはない。これによって、切断ガスとして酸素が使用される場合、ビームガイドの雰囲気内に集中することは避けられる。

本発明の実施例が図面に概略的に示されていて、以下に詳しく説明されている。

図１には、レーザ発生器２と、このレーザ発生器２に対して相対的に矢印３で示した方向に移動可能なレーザ加工ヘッド４とを有するレーザ加工機１が示されている。レーザ発生器２によって発生されたレーザビーム５は、レーザ発生器２から、純粋なガスによって洗浄されたビームガイド室６を通って加工ヘッド４に向かってガイドされ、この加工ヘッド４において、加工しようとする金属薄板としてのワーク（工作物）７に向けて偏向せしめられる。このワーク７はレーザ加工機１のワークサポート８上に載せられている。

レーザビーム６は、純粋なガス例えば窒素によって満たされている。ビームガイド室６は、折り畳みベローズ１０又はその他の密閉した閉鎖体（パイプ、テレスコープパイプその他）によって制限される。折り畳みベローズ１０はガス室壁を形成していて、互いに接し合っているフレキシブルな折り目１１より成っている。

図２によれば、レーザ加工ヘッド４は２軸式、つまり矢印３の方向、並びにこの矢印３に対して垂直な矢印１２の方向で移動可能である。レーザビーム５は、レーザ発生器から第１のビーム偏向装置１３並びに第２のビーム偏向装置１４を介してレーザ加工ヘッド４にガイドされ、ここでワーク７に向かって偏向される。

レーザ加工ヘッド４のハウジング１５は図３に示されている。ハウジング１５は、レーザ加工機１に連結され、必要な接続部も有している。

レーザビーム５は、ハウジング１５内で偏向され、集束され、この集束されたレーザビーム１６はワークに向けられる。ミラーによる集束及びハウジング１５内の開口絞りによって、ビームガイドに対応配置されたハウジング領域１７が、レーザ加工部に対応配置されたハウジング領域１８から分離される。ビームガイドは、やや高い超過圧力の純粋なガスによって掃気される。ハウジング領域１７はまだガスで満たされていて、これに対してハウジング領域１８内ではガス掃気はもはや行われない。

加工ガス側とビームガイド雰囲気とを互いに分離することができるように、レーザビーム５は中間焦点を通ってガイドされる。このために使用される、レーザ加工ヘッド４の構成部分は、集束を実施する放物面鏡１９及び楕円面鏡２０によって形成されている。ビームガイドから方向２１に集束されるレーザビーム５は、放物面鏡１９によって方向２２に偏向され、集束される。楕円面鏡２０は、焦点から発散するレーザビーム２３を、方向２４における作業焦点に結像し、それによってレーザ加工に使用される集束されたレーザビーム１６が発生する。レーザ加工ヘッド４の基本原理は図４に示されている。２つの光学系１９，２０間の中間焦点２８内に開口絞り２５が設けられており、この開口絞り２５を通ってレーザビーム２３が放出される。開口絞り（aperture）２５の直径は、レーザビーム２３がその縁部を擦過しない程度に大きく、かつビームガイドの掃気ガスの漏れ損失が少ない程度に小さく選定されている。漏れガスを監視するために（例えば差圧評価によって）、開口絞り２５に圧力センサ（図示されていないが、ハウジング位置２６に設けられている）が配置される。開口絞り２５を冷却するために冷却媒体接続部（図示されていないが、ハウジング位置２７に設けられている）が設けられている。

ミラー２０は、焦点２８から発散したレーザビーム２３を作業焦点上に結像し、それによって、レーザ加工のために使用される集束されたレーザビーム１６が発生する。２つのミラー１９，２０は、ミラー１９及び２０を冷却するために、冷却媒体接続部２９若しくは３０を備えている。ハウジング領域１７内では、ビームガイドの掃気ガスによって僅かな超過圧力（ハウジング領域１８と比較して）が存在する。レーザ加工ヘッド４によってレーザ切断することができるようにするために、環状ギャップノズル３１によって作業焦点において切断ガスの圧力形成が行われる。このような構造のノズルは逆流を有していてもよいので、開口絞り２５と環状ギャップノズル３１との間の十分に大きい開口３２によって流出させることができる。開口３２は、ハウジング１５内において、ビームガイド内におけるよりも大きい静圧が発生しない程度の寸法に設計されている。

本発明による基本原理を完全なレーザ加工ヘッド４に転用した状態が図５に示されている。レーザビームは、第１のミラーによって偏向され、集束（焦点２８）される。レーザビーム通過方向に関連して回転対称に構成された開口絞り２５内に、挿入された冷却体３３が設けられており、この冷却体３３は、レーザビーム２３の熱を吸収して冷却する。ビームガイド内の超過圧力が例えば１．５mbar（ミリバール）である場合、２．５ｍｍの開口を有する開口絞り２５を通過する体積流量３４は毎分３．５リットルである。

レーザ加工機の概略的な側面図である。 レーザ加工機の概略的な平面図である。 レーザ加工ヘッドの等尺の斜視図である。 レーザ加工ヘッドの縦断面図である。 レーザ加工ヘッドの開口絞りの縦断面図である。

符号の説明

１ レーザ加工機、 ２ レーザ発生器、 ３ 矢印、 ４ レーザ加工ヘッド、 ５ レーザビーム、 ６ ビームガイド室、 ７ ワーク（工作物）、 ８ ワークサポート、 １０ ベローズ、 １１ 折り目、 １２ 矢印、 １３，１４ ビーム偏向装置、 １５ 矢印、ハウジング、 １６ レーザビーム、 １７，１８ ハウジング領域、 １９ 光学系、放物面鏡、 ２０ 光学系、楕円面鏡、 ２１，２２ 方向、 ２３ レーザビーム、 ２４ 方向、 ２５ 開口絞り、口径、鏡径、 ２６ 圧力センサ、 ２７ クーラント接続部、 ２８ 焦点、 ２９，３０ クーラント接続部、 ３１ 環状ギャップノズル、 ３２ 開口、 ３３ 冷却体、 ３４ 体積流量

Claims (7)

1. レーザ加工ヘッド（４）であって、レーザ加工機（１）のビームガイドに対応配置されたハウジング領域（１７）と、数ミリバールの圧力下にあるレーザ加工部に対応配置されたハウジング領域（１８）とを備えている形式のものにおいて、
   レーザビーム（２３）のための開口絞り（２５）が、２つのハウジング領域（１７，１８）間の分離装置として設けられており、前記ビームガイドが掃気ガスによって、前記レーザ加工部内の圧力よりもやや高い圧力で掃気され、それによって、ビームガイドに対応配置されたハウジング領域（１７）内に、レーザ加工部に対応配置されたハウジング領域（１８）内と比較してやや高い超過圧力が形成されるようになっており、
   レーザ加工部に対応配置されたハウジング領域（１８）が、作業焦点において切断ガスの圧力を形成するための環状ギャップノズル（３１）を有しており、
   逆流する切断ガスを流出させるために、環状ギャップノズル（３１）と開口絞り（２５）との間に開口（３２）が形成されていることを特徴とする、レーザ加工ヘッド。
2. レーザビーム（２３）を偏向させて、中間焦点（２８）を生ぜしめるための第１のミラー（１９）と、前記中間焦点（２８）から発散するレーザビーム（２３）を方向（２４）に偏向させて作業焦点に結像させるための第２のミラー（２０）とが設けられていて、開口絞り（２５）が中間焦点（２８）の近傍に配置されている、請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
3. 第１のミラーが放物面鏡（１９）であって、第２のミラーが楕円面鏡（２０）である、請求項１記載のレーザ加工ヘッド。
4. 開口絞り（２５）が冷却可能である、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。
5. 冷却体（３３）が開口絞り（２５）内に挿入されている、請求項４記載のレーザ加工ヘッド。
6. 開口絞り（２５）に圧力センサが配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。
7. 前記ミラー（１９，２０）が冷却可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ加工ヘッド。

Images