JP6450784B2

JP6450784B2 - レーザ加工機

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Publication number: JP6450784B2
Application number: JP2017007925A
Authority: JP
Inventors: 貴士和泉
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2037-01-19
Also published as: US20180200833A1; CN108326450A; US10562131B2; DE102018000442B4; JP2018114543A; CN108326450B; DE102018000442A1

Description

本発明は、レーザ加工機に関する。

従来、レーザ加工機を用いてワークの穴開け加工を行う際には、ワークのレーザ受光部に生じる溶融材料を吹き飛ばして除去したり、ワークの燃焼を促進したりするため、窒素や酸素などのアシストガス（補助ガス）をレーザ光と同軸でワークのレーザ受光部に吹き付けていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２７９０７号公報

しかしながら、これでは、次のような不都合があった。

第１に、ワークに小さい穴を開けようとすると、アシストガスの影響により、ワークのレーザ受光部のみならず、その周辺域が溶融材料からの熱伝導で変形または除去され、意に反して穴径が大きくなってしまう恐れがある。

第２に、ワークが厚い場合やワークの比重が高い場合（以下、「ワークが厚い場合等」という。）には、レーザ加工により穴を開ける過程で、この溶融材料を除去しにくくなり、穴開け加工に時間がかかる。

第３に、ワークの穴開け加工に際しては、ワークのレーザ受光部が急激に熱せられて融点や沸点を瞬間的に超えるため、溶融材料がレーザ照射方向に飛び上がって、レンズ、ウインドなどの光学系を汚染する。

本発明は、このような事情に鑑み、ワークの穴開け加工を行う際に、ワークに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワークが厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができ、さらに、光学系が溶融材料で汚染される事態を回避することが可能なレーザ加工機を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ加工機（例えば、後述のレーザ加工機１）は、レーザ光（例えば、後述のレーザ光ＬＢ）を出射するレーザ発振器（例えば、後述のレーザ発振器５）と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光をワーク（例えば、後述のワーク３）に誘導する導波路（例えば、後述の導波路６）と、レーザ光を光学系（例えば、後述の集光レンズ７、ウインド）で集光して前記ワークに照射する加工ヘッド（例えば、後述の加工ヘッド８）と、前記加工ヘッドの先端に装着されるノズル（例えば、後述のノズル２）と、を備えているレーザ加工機であって、前記ノズルは、前記レーザ光を前記ワークに照射する筒状のノズル本体（例えば、後述のノズル本体２１）と、前記ノズル本体に形成された給気口（例えば、後述の給気口２２）と、前記ノズル本体に、前記給気口に対向して形成された排気口（例えば、後述の排気口２３）と、を備え、前記ノズル本体に誘導されるレーザ光を横切る形で、前記給気口から前記排気口に至るガス流路に沿って前記ノズル本体の内部にガス（例えば、後述のガスＧ）を供給することにより、前記ノズル本体の先端の開口部（例えば、後述の開口部２１ａ）の近傍に負圧を発生させるように構成されている。

前記ノズルは、前記給気口の口径（例えば、後述の口径Ｄ２）が前記ノズル本体に誘導されるレーザ光の前記ガスに横切られる部位における直径（例えば、後述の直径Ｄ１）以上であり、前記排気口の口径（例えば、後述の口径Ｄ３）が前記給気口の口径より大きくてもよい。

前記ノズルは、前記ガス流路に沿ってガスが供給されるときに、前記ワークの溶融材料（例えば、後述の溶融材料１０）にその重量以上の吸引力を作用させてもよい。この溶融材料が、前記ノズル開口部より吸引され、前記ノズル排気口より、吸気口から排気口に流れるガスと共に排出される。

前記ガス流路に沿って供給されるガスが前記光学系に達しないように、前記光学系と前記ガス流路との間に、このガスの侵入を防ぐエア層（例えば、後述のエア層１１）が形成されていてもよい。

前記ノズルは、前記ガス流路に沿って供給されるガスの排気を遮断する開閉弁（例えば、後述の開閉弁１２）が設けられていてもよい。

前記ノズルには、前記ノズル本体の内部を減圧する減圧装置（例えば、後述の排気ポンプ２９）が付設されていてもよい。

前記ノズルは、前記ワークに接触して当該ワークによる前記ノズル本体の密閉度を向上させる弾性部材（例えば、後述の弾性部材３０）が、前記ノズル本体の先端に設けられていてもよい。

本発明によれば、レーザ加工機を用いてワークの穴開け加工を行う際に、レーザ光を横切るガスの流れにより、ワークのレーザ受光部に負圧を発生させ、溶融材料を吸引して除去することができる。その結果、ワークに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワークが厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができ、さらに、光学系が溶融材料で汚染される事態を回避することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。本発明の第１実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。本発明の第１実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。本発明の第１実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す水平断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工機を示す概略構成図である。図２は、第１実施形態に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。

この第１実施形態に係るレーザ加工機１は、図１に示すように、アルミニウムの平板状ワーク３を水平に支持する可動テーブル４と、円形断面のレーザ光ＬＢを出射するレーザ発振器５と、レーザ発振器５から出射されたレーザ光ＬＢをワーク３に誘導する導波路６と、レーザ光ＬＢを光学系としての集光レンズ７で集光してワーク３に照射する加工ヘッド８と、加工ヘッド８の先端に装着されるノズル２と、可動テーブル４、レーザ発振器５および加工ヘッド８の動作を制御する制御装置９と、を備えている。

なお、可動テーブル４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動自在になっている。また、加工ヘッド８は、Ｚ軸方向に移動自在になっている。一方、集光レンズ７は、加工ヘッド８内に固定されている。さらに、導波路６には、レーザ発振器５から出射されたレーザ光ＬＢを反射して集光レンズ７に誘導する反射ミラー６ａが含まれている。また、レーザ光ＬＢの種類は特に限定されず、例えば、炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ、ダイレクトダイオードレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。ファイバレーザを用いる場合には、例えば、レーザ指令出力４ｋＷ、周波数１００Ｈｚ、デューティ１０％で、１００μｍのコア径の光ファイバから出射され、厚さ１０ｍｍのアルミニウムの平板状ワーク３に照射される。この場合、１ｍ秒レーザ照射、９ｍ秒レーザ停止を繰り返す。

ノズル２は、図２に示すように、レーザ光ＬＢをワーク３に照射する略円筒状のノズル本体２１と、ノズル本体２１に形成された給気口２２と、ノズル本体２１に、給気口２２に対向して形成された排気口２３と、を備えている。給気口２２には、円筒状の給気管３２が接続されている。排気口２３には、円筒状の排気管３３が接続されている。そして、ノズル２は、ノズル本体２１に誘導されるレーザ光ＬＢを横切る形で、給気口２２から排気口２３に至る直線的なガス流路２５に沿ってノズル本体２１の内部にガスＧを供給することにより、ノズル本体２１の先端の開口部２１ａの近傍に負圧を発生させるように構成されている。

ここで、給気口２２の口径Ｄ２は、図２に示すように、ノズル本体２１に誘導されるレーザ光ＬＢのガスＧに横切られる部位における直径Ｄ１以上である（Ｄ２≧Ｄ１）。また、排気口２３の口径Ｄ３は、給気口２２の口径Ｄ２より大きい（Ｄ３＞Ｄ２）。例えば、Ｄ３＝５ｍｍ、Ｄ２＝１ｍｍとすることができる。また、給気口２２は、ガスＧの直進性を向上させるための所定の長さＬ２（例えば、１ｍｍ）の直線部を有している。さらに、排気管３３には、ガス流路２５に沿って供給されるガスＧの排気を遮断する開閉弁１２が取り付けられている。

また、ノズル２は、ガス流路２５に沿ってガスＧが供給されるときには、例えば、ガスＧの圧力や流量を適宜調整することにより、ワーク３の穴開け加工に伴って発生する溶融材料１０に、その重量以上の吸引力を作用させ、この溶融材料１０がノズル本体２１の開口部２１ａから吸引されて排気口２３からノズル本体２１の外部へ排出されるように構成されている。

さらに、ノズル２には、排気口２３の上側にガス供給ポート２６が、ノズル本体２１の内外を連通するように形成されている。ガス供給ポート２６には、ガス供給部２７が接続されている。そして、ガス供給部２７からガス供給ポート２６を介してノズル本体２１の内部に窒素などの不活性ガスを供給することにより、ガス流路２５に沿って供給されるガスＧが集光レンズ７に達しないように、集光レンズ７とガス流路２５との間に、このガスＧの侵入を防ぐエア層１１が形成されるように構成されている。

また、ノズル２には、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍にガス排出ポート２８が、ノズル本体２１の内外を連通するように形成されている。ガス排出ポート２８には、排気管３４を介して、減圧装置としての排気ポンプ２９が接続されている。そして、排気ポンプ２９を駆動して、ノズル本体２１の内部のガスをガス排出ポート２８から吸引することにより、ノズル本体２１の内部を減圧して開口部２１ａの近傍を負圧にすることができる。なお、ガス排出ポート２８にはフィルター（図示せず）が装着されて、溶融材料１０がガス排出ポート２８から排気ポンプ２９側に吸い込まれない構造になっている。

レーザ加工機１は以上のような構成を有するので、このレーザ加工機１を用いてアルミニウムの平板状ワーク３の穴開け加工を行う際には、次の手順による。

まず、図１に示すように、可動テーブル４上にワーク３を載置した状態で、制御装置９からの指令に基づき、可動テーブル４をＸ軸方向、Ｙ軸方向に適宜移動させて、ワーク３をＸ軸方向およびＹ軸方向の所定の位置に位置決めする。

次いで、制御装置９からの指令に基づき、加工ヘッド８をＺ軸方向に適宜移動させて、ノズル２をＺ軸方向の所定の位置に位置決めする。すると、ノズル２は、図２に示すように、ノズル本体２１の開口部２１ａがワーク３の表面から所定の距離Ｌ１（例えば、Ｌ１＝０．５ｍｍ〜５ｍｍ）だけ上方に離れた状態になる。

次に、制御装置９からの指令に基づき、開閉弁１２を開き、給気口２２から排気口２３に至るガス流路２５に沿って、ノズル本体２１の内部にガスＧを所定の圧力（例えば、０．５ＭＰａ）で供給する。すると、このガスＧの流れに巻き込まれてノズル本体２１の内部のガスが排気口２３から排出されるため、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍に負圧が発生する。

このとき、排気口２３は、給気口２２に対向しているとともに、その口径Ｄ３が給気口２２の口径Ｄ２より大きく、給気口２２にガスＧの直進性を向上させる所定の長さＬ２の直線部が設けられているため、給気口２２からノズル本体２１の内部に供給されたガスＧは、残らず排気口２３から排出される。その結果、ガスＧの供給に無駄が生じることはなく、負圧の発生を効率的に進めることができる。

また、制御装置９からの指令に基づき、ガス供給部２７からガス供給ポート２６を介してノズル本体２１の内部に不活性ガスを供給する。すると、集光レンズ７とガス流路２５との間にエア層１１が形成される。

さらに、ガスＧの供給による負圧の発生を助長するため、制御装置９からの指令に基づき、排気ポンプ２９を駆動して、ノズル本体２１の内部のガスをガス排出ポート２８から吸引する。すると、ノズル本体２１の内部が減圧され、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍が一層負圧になる。

この状態で、制御装置９からの指令に基づき、レーザ発振器５からレーザ光ＬＢを出射する。すると、そのレーザ光ＬＢは、導波路６に沿って誘導された後、集光レンズ７で集光されてノズル２のノズル本体２１の開口部２１ａからワーク３に照射される。その結果、ワーク３は、そのレーザ受光部３ａがレーザ光ＬＢのレーザ照射によって溶融し、穴開け加工が開始される。

このとき、ワーク３の穴開け加工に伴って、ワーク３のレーザ受光部３ａは、レーザにより加熱され溶融するが、このレーザ受光部３ａに供給されるエネルギ量が大きい場合、瞬間的にレーザ受光部３ａは沸点を超え、このレーザ受光部３ａに溶融材料１０が発生してレーザ光ＬＢと同軸方向へ跳ね上がる。しかし、ノズル２内には、上述したとおり、レーザ光ＬＢを横切るようにガスＧが流れているので、溶融材料１０が集光レンズ７に達することを阻止して、集光レンズ７を保護することができる。これに加えて、ノズル２は、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切るガスＧの流れにより、ノズル本体２１の開口部２１ａの近傍が負圧になっているため、このレーザ受光部３ａにも負圧が発生する。しかも、ガスＧは、溶融材料１０の重量以上の吸引力が作用するように供給されている。その結果、この溶融材料１０は、ノズル本体２１の内部に吸い上げられつつ冷却されながら、排気口２３からノズル本体２１の外部に排出される。したがって、溶融材料１０がノズル本体２１の内部に滞留してレーザ光ＬＢの照射の邪魔をすることはなく、ワーク３の穴開け加工を効率よく実行することができる。

このように、レーザ加工機１を用いてワーク３の穴開け加工を行う際には、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切るガスＧの流れにより、ワーク３のレーザ受光部３ａに負圧を発生させ、溶融材料１０を吸引して除去することができる。こうして溶融材料１０を瞬時に取り除くことで、熱伝導による溶融材料１０から母材への熱の流れを低減することができるため、ワーク３のレーザ受光部３ａ以外の部分の温度上昇を抑えることが可能となる。その結果、ワーク３のレーザ受光部３ａのみに小さい穴を確実に開けることができるとともに、ワーク３が厚い場合等においても穴開け加工時間を低減することができる。さらに、レーザ照射時にワーク３のレーザ受光部３ａが急激に温度上昇して突沸のような現象を起こし、レーザ照射方向に溶融材料１０が飛んだ場合でも、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切るガスＧの流れにより、排気口２３へガスＧとともに流されるため、集光レンズ７が溶融材料１０で汚染される事態を回避することが可能となる。

また、集光レンズ７とガス流路２５との間にエア層１１が形成されているので、たとえ、ガス流路２５に沿って供給されるガスＧが集光レンズ７側に侵入しようとしても、このガスＧの侵入がエア層１１で阻止され、このガスＧが集光レンズ７に達することはない。したがって、このガスＧとして、油分などを含む工場エアを使用しても、その油分などで集光レンズ７が汚染される事態を未然に回避することができる。そのため、ガスＧの許容範囲を拡大し、ノズル２の有用性を高めることが可能となる。

こうして、ワーク３の穴開け加工が終了すると、ワーク３のレーザ受光部３ａがワーク３の表面から裏面へ貫通しているので、ワーク３の溶融材料１０をワーク３の裏面から下方に排出することができる。したがって、それ以降は、ワーク３の溶融材料１０を吸引する必要がなくなり、開閉弁１２を閉じてガスＧの排気を遮断し、ノズル２からアシストガスを供給しながら、ワーク３の切断加工を行うことも可能になる。

［第１実施形態の変形例］
図３は、第１実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す垂直断面図である。図４は、第１実施形態の変形例に係るレーザ加工機のノズルを示す水平断面図である。

この第１実施形態の変形例に係るレーザ加工機１は、上述した第１実施形態に比べて、以下に述べるように、ノズル２の構成が異なる。その他の構成については、上述した第１実施形態と基本的に同様であるので、同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、このレーザ加工機１のノズル２は、図３および図４に示すように、ノズル本体２１の内部に螺旋状の上昇気流を発生させる気流発生装置１５がノズル本体２１に付設されている。この気流発生装置１５は、ノズル本体２１の外部から内部を経て外部に気体を略水平に送り込む第１通気路１５ａと、第１通気路１５ａとほぼ平行に配設され、第１通気路１５ａと逆向きにノズル本体２１の外部から内部を経て外部に気体を略水平に送り込む第２通気路１５ｂとから構成されている。ここで、第１通気路１５ａおよび第２通気路１５ｂは、互いにノズル本体２１の軸心方向（つまり、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬに平行な方向）にオフセットされた状態で、ガス流路２５の下方にレーザ光ＬＢの光軸ＣＬを挟んで対向している。

また、ノズル本体２１の内部には、図３に示すように、ワーク３の溶融材料１０の上昇を阻止する円環状の折り返し部１６が、ノズル本体２１の内周面に沿ってガス流路２５の上方に配設されている。

さらに、ノズル本体２１の内周面には、この内周面に対するワーク３の溶融材料１０の付着性（ぬれ性）を低くする付着防止コーティング１７が施されている。この付着防止コーティング１７は、耐熱性に優れたものであればよく、その代表例としては、フッ素樹脂（例えば、デュポン社製のテフロン（登録商標）など）を挙げることができる。

また、ノズル２は、ワーク３に接触してワーク３によるノズル本体２１の密閉度を向上させる円筒状の弾性部材３０が、ノズル本体２１の先端に取り付けられている。この弾性部材３０は、ノズル本体２１の軸心方向に弾性的に伸縮しつつ、ワーク３に接触するように構成されている。この弾性部材３０の材料として、電気を通すもの（例えば、ばね性のある金属、導電性高分子など）を採用すれば、通常の静電容量式のセンサを用いて、ワーク３とノズル２との距離を測定することができる。

したがって、この変形例では、上述した第１実施形態と同様、ワーク３の穴開け加工に際して、レーザ光ＬＢの光軸ＣＬを横切るガスＧの流れにより、ワーク３の溶融材料１０を負圧で吸引してノズル２の排気口２３からノズル本体２１の外部に排出できること等の効果に加えて、次のような効果を奏する。

まず、気流発生装置１５により、ノズル本体２１の内部に螺旋状の上昇気流を発生させられるため、この上昇気流に乗せて溶融材料１０を効率よく吸い上げることができる。その結果、溶融材料１０の排出をますます円滑に行うことが可能となる。

また、ノズル本体２１の内部に配設された折り返し部１６により、ノズル本体２１の内周面に沿った溶融材料１０の上昇を阻止することができる。したがって、この溶融材料１０が大きな運動量を持っていて、ガスＧの流れによってノズル２の排気口２３に誘導し切れない場合でも、その溶融材料１０が集光レンズ７に達して集光レンズ７を汚染する不都合は生じない。また、この溶融材料１０が小さな運動量しか持っておらず、ガスＧの流れによって吸い上げられて、その軌跡を図３に破線で示すように、ノズル２の排気口２３から排出されない場合でも、その溶融材料１０が集光レンズ７に達して集光レンズ７を汚染する不都合は生じない。

また、ノズル２は、ノズル本体２１の内周面に付着防止コーティング１７が施されているので、溶融材料１０がノズル本体２１の内周面に付着して堆積する事態を未然に防止することができる。その結果、レーザ光ＬＢの照射を長時間にわたって十全に行うことが可能となる。

さらに、ノズル２は、ノズル本体２１の先端に弾性部材３０がワーク３に接触するように設けられているので、ワーク３によるノズル本体２１の密閉度が向上する。そのため、ワーク３のレーザ受光部３ａの負圧を大幅に高め、溶融材料１０の吸引力を格段に増大させることができる。

しかも、この弾性部材３０は、ノズル本体２１の軸心方向に弾性的に伸縮しつつ、ワーク３に接触するように構成されているので、ワーク３に負荷が加わることはない。したがって、ワーク３に変形や割れ等の損傷を与える事態を防止しつつ、ワーク３の穴開け加工を円滑に実行することができる。

なお、本発明は、上述した第１実施形態やその変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。

例えば、上述した第１実施形態およびその変形例では、加工ヘッド８内の光学系として集光レンズ７のみを備えている場合について説明した。しかし、集光レンズ７を保護する光学系としてのウインド（図示せず）が集光レンズ７の下方に取り付けられている場合にも、本発明を同様に適用することができる。

また、上述した第１実施形態およびその変形例では、集光レンズ７が加工ヘッド８内に固定されている場合について説明した。しかし、集光レンズ７が加工ヘッド８内でＺ軸方向に移動自在になっている場合にも、本発明を同様に適用することができる。

さらに、上述した第１実施形態およびその変形例では、アルミニウムのワーク３のレーザ加工を行う場合について説明した。しかし、アルミニウム以外の材料からなるワークのレーザ加工を行う場合にも、本発明を同様に適用することができる。

１……レーザ加工機
２……ノズル
３……ワーク
５……レーザ発振器
６……導波路
７……集光レンズ（光学系）
８……加工ヘッド
１０……溶融材料
１１……エア層
１２……開閉弁
２１……ノズル本体
２１ａ……開口部
２２……給気口
２３……排気口
２５……ガス流路
２９……排気ポンプ（減圧装置）
３０……弾性部材
Ｄ１……レーザ光の直径
Ｄ２……給気口の口径
Ｄ３……排気口の口径
Ｇ……ガス
ＬＢ……レーザ光

Claims

レーザ光を出射するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射されたレーザ光をワークに誘導する導波路と、
レーザ光を光学系で集光して前記ワークに照射する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドの先端に装着されるノズルと、を備えているレーザ加工機であって、
前記ノズルは、前記レーザ光を前記ワークに照射する筒状のノズル本体と、前記ノズル本体に形成された給気口と、前記ノズル本体に、前記給気口に対向して形成された排気口と、を備え、
前記ノズル本体に誘導されるレーザ光を横切る形で、前記給気口から前記排気口に至るガス流路に沿って前記ノズル本体の内部にガスを供給することにより、前記ワークにレーザ光を照射することで発生する溶融材料にその重量以上の吸引力を作用させ、前記ノズル本体の先端の開口部の近傍に負圧を発生させるように構成されているレーザ加工機。
前記ノズルは、前記給気口の口径が前記ノズル本体に誘導されるレーザ光の前記ガスに横切られる部位における直径以上であり、前記排気口の口径が前記給気口の口径より大きい請求項１に記載のレーザ加工機。
前記ガス流路に沿って供給されるガスが前記光学系に達しないように、前記光学系と前記ガス流路との間に、このガスの侵入を防ぐエア層が形成されている請求項１または２に記載のレーザ加工機。
前記ノズルは、前記ガス流路に沿って供給されるガスの排気を遮断する開閉弁が設けられている請求項１から３までのいずれかに記載のレーザ加工機。
前記ノズルには、前記ノズル本体の内部を減圧する減圧装置が付設されている請求項１から４までのいずれかに記載のレーザ加工機。
前記ノズルは、前記溶融材料が前記ノズル本体の先端の開口部から吸引されて前記排気口から前記ノズル本体の外部へ排出されるように構成されているとともに、前記ワークに接触して当該ワークによる前記ノズル本体の密閉度を向上させる弾性部材が前記ノズル本体の先端に設けられている請求項１から５までのいずれかに記載のレーザ加工機。