JP7565534B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

特許文献１には、溶接ワイヤ送給部からワイヤガイド部を経て送給される溶接ワイヤの先端部に熱加工用ビームを照射して、ワーク（被溶接材）の溶接を行う溶接装置が開示されている。

特開平０２－１２７９８９号公報

ところで、従来の発明では、レーザ加工ヘッド（溶接トーチ）の先端をワークに近づけた状態でレーザ加工を行っているため、レーザ加工時に発生したスパッタやヒュームが保護ガラス等の光学系に付着しやすくなる。

ここで、保護ガラスに汚れが付着した状態では、レーザ出力が低下してしまい、ワークの加工品質が悪化するおそれがある。そのため、保護ガラスの洗浄や交換など、定期的なメンテナンス作業が必要となり、手間がかかってしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ加工ヘッドの光学系にスパッタやヒュームが付着するのを抑えることにある。

第１の発明は、ワークの加工点にレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、溶接用のワイヤを該加工点に向かって送給するワイヤ送給ユニットとを備えたレーザ加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドの出射端から前記レーザ光の出射方向に延びる筒状の部材で形成され、該出射方向の下流側に開口する吹出口からエアを吹き出す第１吹出ノズルと、前記第１吹出ノズルの吹出口よりも下流側で、前記レーザ光の出射方向と交差する方向にエアを吹き出す第２吹出ノズルと、前記ワイヤ送給ユニットで送給された前記ワイヤを前記加工点に案内するチップと、前記加工点にシールドガスを供給するシールドガスノズルと、前記第１吹出ノズルに取り付けられ、少なくとも前記チップを支持する支持部材とを備えたことを特徴とする。

第１の発明では、筒状の第１吹出ノズルと、第２吹出ノズルと、ワイヤを加工点に案内するチップと、シールドガスを加工点に供給するシールドガスノズルと、支持部材とを備える。第１吹出ノズルは、レーザ加工ヘッドの出射端からレーザ光の出射方向に延び、吹出口からエアを吹き出す。第２吹出ノズルは、レーザ光の出射方向と交差する方向にエアを吹き出す。支持部材は、第１吹出ノズルに取り付けられる。支持部材は、少なくともチップを支持する。

これにより、レーザ光の出射方向において、第１吹出ノズルの長さ分、ワークの加工点から離れた位置にレーザ加工ヘッドを配置して、レーザ加工ヘッドの光学系にスパッタやヒュームが付着するのを抑えることができる。

また、剛性の高い第１吹出ノズルに、支持部材を介してチップを支持することで、チップの振動を抑え、加工点側の近くで、ワイヤの位置決めを精度良く行うことができる。

また、第１吹出ノズルから吹き出したエアに、第２吹出ノズルから吹き出したエアを衝突させ、第１吹出ノズルから吹き出したエアを加工点から偏心させている。これにより、加工点の溶融部に悪影響を及ぼすことなく、スパッタやヒュームを吹き飛ばすとともに、溶融部から吹き上がるプルームを除去することができる。

これにより、溶融部から吹き上がるプルームが、第１吹出ノズルから加工点に向かうレーザ光の光路から除去され、この光路内でのレーザ光の屈折や乱反射を抑制できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２吹出ノズルから吹き出すエアの吹き出し角度を調整する調整機構を備えたことを特徴とする。

第２の発明では、レーザ加工ヘッドの姿勢に応じて第２吹出ノズルの姿勢を調整して、溶接ビードを避ける方向にエアを吹き出すことができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記第１吹出ノズルは、該第１吹出ノズルの吹出口に着脱可能に取り付けられた筒状のキャップ部を有することを特徴とする。

第３の発明では、キャップ部にスパッタやヒュームが付着して汚れたり、キャップ部が劣化した場合に、キャップ部のみを取り外して交換やクリーニングをすれば良いので、メンテナンス性が向上する。

第４の発明は、第１乃至３の発明のうち何れか１つにおいて、前記第１吹出ノズルの吹出口は、エアの流通方向の下流側に向かって通路面積が徐々に小さくなっていることを特徴とする。

第４の発明では、第１吹出ノズルの吹出口をエアが通過する際に、エアの流速を上げることができるので、第１吹出ノズルの内部にスパッタが入り込むのを抑えることができる。

第５の発明は、第１乃至４の発明のうち何れか１つにおいて、前記第１吹出ノズルを周方向に回転させる回転機構を備えたことを特徴とする。

第５の発明では、第１吹出ノズルとともにチップを周方向に回転させることで、レーザ加工ヘッドの移動方向に対するワイヤの送給方向を変更することができる。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドの光学系にスパッタやヒュームが付着するのを抑えることができる。

本実施形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す側面図である。 第１吹出ノズルの吹出口の構成を示す側面断面図である。 第２吹出ノズルの構成を示す斜視図である。 第２吹出ノズルの水平方向及び上下方向の位置を調整した状態を示す側面図である。 第２吹出ノズルの吹き出し角度を調整した状態を示す側面図である。 レーザ加工ヘッドの姿勢に応じて第２吹出ノズルの吹き出し角度を調整した状態を示す側面図である。 本実施形態２に係るレーザ加工装置の構成を示す側面図である。 チップを周方向に回転させた状態を下方から見た図である。 溶接開始位置（０°）における加工点とチップとの位置関係を示す斜視図である。 レーザ加工ヘッドを溶接開始位置から時計回り方向に９０°移動させたときの、加工点とチップとの位置関係を示す斜視図である。 レーザ加工ヘッドを溶接開始位置から時計回り方向に１８０°移動させたときの、加工点とチップとの位置関係を示す斜視図である。 レーザ加工ヘッドを溶接開始位置から時計回り方向に２７０°移動させたときの、加工点とチップとの位置関係を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ加工ヘッド１０と、ワイヤ送給ユニット２０と、エア供給部３０と、シールドガス供給部３５とを備える。

レーザ加工ヘッド１０は、ワークＷの加工点Ｐにレーザ光Ｌを出射する。レーザ加工ヘッド１０は、コリメータレンズ１１と、フォーカスレンズ１２と、保護ガラス１３とを有する。

コリメータレンズ１１は、図示しないファイバで伝送されたレーザ光Ｌを平行化する。フォーカスレンズ１２は、コリメータレンズ１１で平行化されたレーザ光Ｌを集光する。保護ガラス１３は、レーザ加工ヘッド１０内部に異物が侵入するのを抑える。

ワイヤ送給ユニット２０は、一対の送給ローラ２２と、ワイヤ管２３とを有する。送給ローラ２２は、図示しない送給モータによって回転する。送給ローラ２２は、溶接用のワイヤ２１を加工点Ｐに向かって送給する。ワイヤ２１の先端部は、チップ２５に挿通される。チップ２５は、ワイヤ送給ユニット２０で送給されたワイヤ２１を加工点Ｐに案内する。

シールドガスノズル３６には、シールドガス管３７が接続される。シールドガス管３７には、シールドガス供給部３５が接続される。シールドガスノズル３６は、シールドガス供給部３５から供給されたシールドガスを加工点Ｐに供給する。シールドガスにより、ワークＷの酸化を抑える。

レーザ加工ヘッド１０には、第１吹出ノズル１５が取り付けられる。第１吹出ノズル１５は、レーザ加工ヘッド１０の出射端からレーザ光Ｌの出射方向に延びる筒状の部材で形成される。第１吹出ノズル１５は、出射方向の下流側に吹出口１６が開口している。

図２にも示すように、第１吹出ノズル１５は、筒状のキャップ部１７を有する。キャップ部１７は、第１吹出ノズル１５の吹出口１６に着脱可能に取り付けられる。これにより、キャップ部１７にスパッタやヒュームが付着して汚れたり、キャップ部１７が劣化した場合に、キャップ部１７のみを取り外して交換やクリーニングをすれば良いので、メンテナンス性が向上する。

第１吹出ノズル１５の吹出口１６（キャップ部１７の吹出口）は、エアの流通方向の下流側に向かって通路面積が徐々に小さくなっている。これにより、第１吹出ノズル１５の吹出口１６をエアが通過する際に、エアの流速を上げることができるので、第１吹出ノズル１５の内部にスパッタが入り込むのを抑えることができる。なお、キャップ部１７を有しない構成では、第１吹出ノズル１５の吹出口１６の通路面積を下流側に向かって徐々に小さくした形状とすればよい。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド１０の出射端の側面には、第１継手１４が接続される。第１継手１４には、第１エア供給管３１が接続される。第１エア供給管３１には、エア供給部３０が接続される。エア供給部３０から供給されたエアは、第１継手１４を介して、レーザ加工ヘッド１０の内部を通って第１吹出ノズル１５に供給される。第１吹出ノズル１５は、吹出口１６からワークＷの加工点Ｐに向かってエアを吹き出す。

第１吹出ノズル１５からレーザ光Ｌの出射方向に吹き出されたエアは、第１吹出ノズル１５内に侵入しようとする、加工点Ｐで発生するスパッタやヒュームを、レーザ光Ｌの光軸上から吹き飛ばして除去する。これにより、スパッタやヒュームによるレーザ光Ｌの屈折又は焦点位置の変動を抑える。

第１吹出ノズル１５の上流端には、保護板１８が設けられる。保護板１８は、径方向に張り出す円盤状に形成される。保護板１８は、レーザ加工時に発生したスパッタやヒュームがレーザ加工ヘッド１０に付着するのを抑える。

第１吹出ノズル１５には、支持部材４０が取り付けられる。支持部材４０は、加工点Ｐ側の、第１吹出ノズル１５の下部寄りの位置に配置される。支持部材４０は、取付部４１と、保持部４２とを有する。

取付部４１は、第１吹出ノズル１５の外周面を把持する。取付部４１は、第１吹出ノズル１５に沿って移動させることで、ワークＷとの距離を変更可能となっている。取付部４１には、保持部４２が取り付けられる。

保持部４２は、第２吹出ノズル５０と、チップ２５と、シールドガスノズル３６とを保持する。第２吹出ノズル５０は、第１吹出ノズル１５の吹出口１６よりも下流側に配置される。第２吹出ノズル５０は、レーザ光Ｌの出射方向と交差する方向にエアを吹き出す。

図３にも示すように、第２吹出ノズル５０は、複数の吹出孔５１と、複数の吸込孔５２とを有する。複数の吹出孔５１は、複数の第１吹出孔５１ａと、複数の第２吹出孔５１ｂとを有する。複数の第１吹出孔５１ａは、第２エア供給管３２を介してエア供給部３０に連通し、レーザ光Ｌの光路に向かって開口する。複数の第２吹出孔５１ｂは、レーザ光Ｌの光路に向かって開口する。

ここで、レーザ光Ｌの光路とは、第１吹出ノズル１５を介してレーザ光Ｌの出射方向にレーザ光Ｌが出射され、第１吹出ノズル１５の吹出口１６と加工点Ｐとの間に形成される光路である。

第１吹出孔５１ａは、第２吹出孔５１ｂよりもエアを吹き出す吹出口の径が小さく、複数の第２吹出孔５１ｂの近傍にそれぞれ配置される。複数の吸込孔５２は、第２吹出ノズル５０の側壁に開口するとともに、複数の第２吹出孔５１ｂにそれぞれ連通する。

第２吹出ノズル５０には、第２継手５３が接続される。第２継手５３には、第２エア供給管３２が接続される。第２エア供給管３２には、エア供給部３０が接続される。エア供給部３０から供給されたエアは、第２継手５３を介して、第２吹出ノズル５０の内部を通って複数の第１吹出孔５１ａから吹き出される。

このとき、エア供給部３０から供給されるエアが第１吹出孔５１ａから吹き出されることにより、第１吹出孔５１ａからレーザ光Ｌの光路に向かって吹き出されるエアの流れによって、第２吹出孔５１ｂに連通する吸込孔５２に負圧が発生する。これにより、第２吹出ノズル５０の周辺のエアが吸込孔５２から吸い込まれ、第２吹出孔５１ｂから吹き出される。

言い換えると、エア供給部３０から複数の第１吹出孔５１ａに供給されるエアの流量に、複数の吸込孔５２の周辺から吸い込まれて複数の第２吹出孔５１ｂからそれぞれ吹き出されるエアの流量がそれぞれ加算されるように、エアがレーザ光Ｌの光路側に向かって、光路に交差するように吹き出される。

図４に示すように、支持部材４０は、調整機構４５を有する。支持部材４０は、調整機構４５を介して第２吹出ノズル５０を支持する。調整機構４５は、水平位置調整部４６と、上下位置調整部４７と、角度調整部５５とを有する。

水平位置調整部４６は、支持部材４０の保持部４２に対して水平方向に移動可能に取り付けられる。水平位置調整部４６は、水平位置が調整された後で締結ボルト５９により固定される。

上下位置調整部４７は、保持部４２に対して上下方向に移動可能に取り付けられる。上下位置調整部４７は、上下位置が調整された後で締結ボルト５９により固定される。

水平位置調整部４６及び上下位置調整部４７の位置を調整することで、第２吹出ノズル５０から吹き出されるエアの吹き出し位置を変更することができる。

図５に示すように、角度調整部５５は、保持部４２に取り付けられた基台部５６と、基台部５６に対して第２吹出ノズル５０を締結する締結ボルト５７とを有する。第２吹出ノズル５０は、締結ボルト５７を緩めた状態で、締結ボルト５７を中心に上下方向又は左右方向に回動させることで、エアの吹き出し角度を調整可能となっている。

第２吹出ノズル５０には、ストッパボルト５８が設けられる。ストッパボルト５８は、上下方向に間隔をあけて配置される。ストッパボルト５８の先端部は、上下位置調整部４７のストッパ面４８に当接する。ストッパボルト５８の突出量を調整し、ストッパボルト５８をストッパ面４８に当接させることで、第２吹出ノズル５０の姿勢（エアの吹き出し角度）を位置決めすることができる。第２吹出ノズル５０は、締結ボルト５７を締め付けることで、所定の姿勢で保持される。

これにより、レーザ加工ヘッド１０の姿勢に応じて第２吹出ノズル５０の姿勢（エアの吹き出し角度）を調整することで、第２吹出ノズル５０からワークＷ側に向かうエアの流れを抑制し、ワークＷの溶融部を避ける方向（ワークＷの溶融部と平行な方向）にエアを吹き出すことができる。

具体的に、ワークＷの真上からレーザ光Ｌを出射するのではなく、図６に示すように、ワークＷに対して傾斜した方向からレーザ光Ｌを出射するために、レーザ加工ヘッド１０を角度θだけ傾けた姿勢とした場合について検討する。

ここで、第２吹出ノズル５０の姿勢を調整しない場合には、図６に仮想線で示すように、レーザ加工ヘッド１０を傾けたことに伴い、第２吹出ノズル５０が斜め下方を向いた姿勢となる。この状態では、第２吹出ノズル５０からワークＷに向かって斜め下方にエアが吹き出され、ワークＷの溶融部に悪影響を与えるおそれがある。

これに対し、図６に実線で示す例では、第２吹出ノズル５０から水平方向（ワークＷに対して平行な方向）にエアが吹き出されるように、レーザ加工ヘッド１０の姿勢に応じて第２吹出ノズル５０の姿勢を調整している。これにより、第２吹出ノズル５０からワークＷ側に向かうエアの流れを抑制し、ワークＷの溶融部を避ける方向にエアを吹き出すことができる。

－本実施形態１の効果－
本実施形態に係るレーザ加工装置１によれば、レーザ光Ｌの出射方向において、第１吹出ノズル１５の長さ分、ワークＷの加工点Ｐから離れた位置にレーザ加工ヘッド１０を配置して、レーザ加工ヘッド１０の保護ガラス１３にスパッタやヒュームが付着するのを抑えることができる。

また、剛性の高い第１吹出ノズル１５に、支持部材４０を介してチップ２５を支持することで、チップ２５の振動を抑え、加工点Ｐ側の近くで、ワイヤ２１の位置決めを精度良く行うことができる。

また、第１吹出ノズル１５から吹き出したエアに、第２吹出ノズル５０から吹き出したエアを衝突させ、第１吹出ノズル１５から吹き出したエアを加工点Ｐから偏心させている。これにより、加工点Ｐの溶融部に悪影響を及ぼすことなく、スパッタやヒュームを吹き飛ばすとともに、溶融部から吹き上がるプルームを除去することができる。

これにより、溶融部から吹き上がるプルームが、第１吹出ノズル１５から加工点Ｐに向かうレーザ光Ｌの光路から除去され、この光路内でのレーザ光Ｌの屈折や乱反射を抑制できる。

《実施形態２》
以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図７及び図８に示すように、レーザ加工ヘッド１０は、回転機構６０を有する。回転機構６０は、モータブラケット６１と、モータ６２と、プーリ６３と、伝達ベルト６４とを有する。

モータブラケット６１は、レーザ加工ヘッド１０の下部寄りの位置に取り付けられる。モータブラケット６１には、モータ６２が取り付けられる。

モータ６２の回転軸には、プーリ６３が取り付けられる。プーリ６３には、伝達ベルト６４が巻き掛けられる。伝達ベルト６４は、第１吹出ノズル１５のプーリ部１９の外周面にも巻き掛けられる。プーリ部１９は、第１吹出ノズル１５の上端部に設けられる。プーリ部１９の外径は、第１吹出ノズル１５の外径よりも大きい。

第１吹出ノズル１５は、レーザ加工ヘッド１０に対して周方向に回転可能に取り付けられる。モータ６２の回転駆動力は、プーリ６３及び伝達ベルト６４を介して第１吹出ノズル１５のプーリ部１９に伝達される。第１吹出ノズル１５は、モータ６２の回転に伴って周方向に回転する。

第１吹出ノズル１５には、支持部材４０が取り付けられる。支持部材４０の保持部４２には、ワイヤ２１を加工点Ｐに案内するチップ２５が保持される。そのため、第１吹出ノズル１５を周方向に回転させると、第１吹出ノズル１５とともにワイヤ２１を加工点Ｐに案内するチップ２５が周方向に回転する。

このように、第１吹出ノズル１５とともにチップ２５を周方向に回転させることで、レーザ加工ヘッド１０の移動方向に対するワイヤ２１の送給方向を変更することができる。

具体的に、図９に示すように、ワークＷは、第１部材Ｗ１と、第２部材Ｗ２とを有する。第１部材Ｗ１は、板状の部材で形成される。第２部材Ｗ２は、円筒状の部材で形成される。第２部材Ｗ２は、第１部材Ｗ１の上面に立設される。

レーザ加工ヘッド１０は、第２部材Ｗ２の外周面と第１部材Ｗ１の上面との隅部に沿ってレーザ溶接を行うことで、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２とを溶接する。

図９では、溶接開始位置（０°）から時計回り方向に沿ってレーザ溶接を行うものとする。溶接開始位置では、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置が、ワークＷの加工点Ｐに対して溶接方向の前方（図９では左方）となるように、第１吹出ノズル１５を回転させる。その後、レーザ加工ヘッド１０を、溶接開始位置から時計回り方向に移動させながらレーザ溶接を行う。

図１０に示すように、溶接開始位置から時計回り方向に９０°移動させた位置では、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置が、ワークＷの加工点Ｐに対して溶接方向の前方（図１０で上方）となるように、第１吹出ノズル１５を回転させる。なお、レーザ加工装置１は、レーザ加工ヘッド１０を０°から９０°まで移動させている間、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置が、溶接方向の前方に位置するように、第１吹出ノズル１５を周方向に適宜回転させながらレーザ溶接を行い、溶接ビード５を形成する。

図１１に示すように、溶接開始位置から時計回り方向に１８０°移動させた位置では、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置が、ワークＷの加工点Ｐに対して溶接方向の前方（図１１で右方）となるように、第１吹出ノズル１５を回転させる。

図１２に示すように、溶接開始位置から時計回り方向に２７０°移動させた位置では、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置が、ワークＷの加工点Ｐに対して溶接方向の前方（図１２で下方）となるように、第１吹出ノズル１５を回転させる。

なお、図示は省略するが、レーザ加工装置１は、レーザ加工ヘッド１０を２７０°から０°まで移動させ、チップ２５によるワイヤ２１の供給位置を調整しながらレーザ溶接を行い、溶接ビード５を形成する。

このように、第１吹出ノズル１５を回転させ、ワークＷの加工点Ｐに対して溶接方向の前方にワイヤ２１を供給しながら溶接することができるので、ワークＷの溶接品質を高めることができる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、第２吹出ノズル５０、チップ２５、シールドガスノズル３６を、支持部材４０を介して第１吹出ノズル１５に支持する構成について説明したが、この形態に限定するものではない。例えば、第２吹出ノズル５０を、第１吹出ノズル１５とは別の部材に支持するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、レーザ加工ヘッドの光学系にスパッタやヒュームが付着するのを抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザ加工装置
１０ レーザ加工ヘッド
１５ 第１吹出ノズル
１６ 吹出口
１７ キャップ部
２０ ワイヤ送給ユニット
２１ ワイヤ
２５ チップ
３６ シールドガスノズル
４０ 支持部材
５０ 第２吹出ノズル
５１ 吹出孔
５１ａ 第１吹出孔
５１ｂ 第２吹出孔
５２ 吸込孔
５５ 角度調整部（調整機構）
６０ 回転機構
Ｌ レーザ光
Ｐ 加工点
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. ワークの加工点にレーザ光を出射するレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドの出射端から前記レーザ光の出射方向に延びる筒状の部材で形成され、該出射方向の下流側に開口する吹出口からエアを吹き出す第１吹出ノズルと、
   前記第１吹出ノズルの吹出口よりも下流側で、前記レーザ光の出射方向と交差する方向にエアを吹き出す第２吹出ノズルと、
   前記第２吹出ノズルと前記第１吹出ノズルへエアを供給するエア供給部と、を備え、
   前記第２吹出ノズルは、複数の吹出孔と、複数の吸込孔とを有し、
   前記複数の吹出孔は、第１吹出孔と第２吹出孔を有し、
   前記第１吹出孔から吹き出されるエアは前記エア供給部から供給され、
   前記第２吹出孔から吹き出されるエアは前記吸込孔から供給される
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１において、
   溶接用のワイヤを前記加工点に向かって送給するワイヤ送給ユニットと、
   前記ワイヤ送給ユニットで送給された前記ワイヤを前記加工点に案内するチップと、
   前記加工点にシールドガスを供給するシールドガスノズルと、
   前記第１吹出ノズルに取り付けられ、少なくとも前記チップを支持する支持部材と、を備える
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第２吹出ノズルから吹き出すエアの吹き出し角度を調整する調整機構を備えた
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
   前記第１吹出ノズルは、該第１吹出ノズルの吹出口に着脱可能に取り付けられた筒状のキャップ部を有する
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１つにおいて、
   前記第１吹出ノズルの吹出口は、エアの流通方向の下流側に向かって通路面積が徐々に小さくなっている
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項１乃至５のうち何れか１つにおいて、
   前記第１吹出ノズルを周方向に回転させる回転機構を備えた
   ことを特徴とするレーザ加工装置。

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