レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置
【課題】 反射ミラーなどを要しない簡易な構成とし、ヘッドのコンパクト化、高集光性及び長焦点化が可能であり、また、アーク電極や切断ガスなどの供給が容易なレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を平行にするコリメート光学系６２と、半割れレンズ６７を有し、この半割れレンズ６７の光軸位置をコリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらしてコリメート光学系を出たレーザ光５２が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワーク５５に集光照射する集光光学系６２と、半割れレンズの分割面６７ｃ側に半割れレンズの光軸に沿って配設されたＭＩＧ電極５７などの加工手段とを備えてレーザ加工ヘッド５４を構成し、このレーザ加工ヘッドを備えてレーザ加工装置を構成する。
【解決手段】 レーザ光を平行にするコリメート光学系６２と、半割れレンズ６７を有し、この半割れレンズ６７の光軸位置をコリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらしてコリメート光学系を出たレーザ光５２が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワーク５５に集光照射する集光光学系６２と、半割れレンズの分割面６７ｃ側に半割れレンズの光軸に沿って配設されたＭＩＧ電極５７などの加工手段とを備えてレーザ加工ヘッド５４を構成し、このレーザ加工ヘッドを備えてレーザ加工装置を構成する。
【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ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置に関し、例えばレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う場合などに適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば金属同士を接合する場合、溶接技術の一種としてレーザ溶接とアーク溶接とがある。レーザ溶接はＣＯ2 レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器を用いて行われる。なお、ＣＯ2 レーザ光はミラー伝送しなければならないため、その調整に手間がかかるのに対し、ＹＡＧレーザ光は光ファイバによる伝送が可能であるため、ＹＡＧレーザ発振器を用いたレーザ溶接に対する期待が高まっている。一方、アーク溶接としては、ＭＩＧ（ＧＭＡ）溶接などのガスシールド消耗電極式アーク溶接や、ＴＩＧ溶接などのガスシールド非消耗電極式アーク溶接などがある。
【０００３】そして、レーザ溶接では、レーザ光を光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うことができる一方、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などのアーク溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能である。このため、近年では開先裕度が高く且つ溶け込み深さの深い溶接を行うことなどを目的として、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う方法が研究されている。
【０００４】この場合、図示は省略するが、レーザ溶接ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッドとが独立していると、ヘッド全体が非常に大型となり、しかも、溶接位置や溶接姿勢の変化に対応してレーザ溶接ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッドの相対位置関係を常に一定に保持するのが面倒であり、特にロボットによる３次元加工には適さない。
【０００５】そこで、これらの問題点等を解決するため、図６に示すようなレーザ加工ヘッドを開発した。このレーザ加工ヘッドでは、光ファイバ１１で伝送してきたレーザ光１２を凸型ルーフミラー１３と凹型ルーフミラー１４とで反射して第１分割レーザ光１２ａと第２分割レーザ光１２ｂとに２分割することにより、両者間に空間部１７を形成し、これらの分割レーザ光１２ａ，１２ｂを集光光学系１５で集光してワーク１６に照射するようになっている。そして、図示しないワイヤ送り装置から送給されるＭＩＧ電極（フィラワイヤ）１８を、分割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に挿入することにより、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが同軸状になるようにしている。このレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが同軸状になっているため、面倒な相対位置関係の調節を必要とせず、ロボットによる３次元加工なども容易に行うことができる。
【０００６】また、レーザ光は切断にも用いられる。図７R>７はレーザ切断を行う従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。この図７に示すレーザ加工ヘッドでは、集光光学系２０によって集光されたレーザ光２１の周囲を囲むようにテーパ状の切断ガスノズル２２を設け、この切断ガスノズル２２の先端開口部２２ａから切断ガス（アシストガス）２４をワーク２３の被切断部２３ａに噴射する構成となっている。このため、切断ガスの流速を増加させたり、切断ガス２４を被切断部２３ａ内に効率よく送り込むために切断ガスノズル２２の先端開口部２２ａを細くしようとしても、レーザ光２１と干渉してしまうため、限界があった。
【０００７】そこで、このような問題点等を解決するため、図示は省略するが、図７に示すように２分割された分割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に細管状の切断ガスノズルを挿入することにより、この切断ガスノズルとレーザ光１２ａ，１２ｂとが同軸状になるようにしたレーザ加工ヘッドの開発を行った。このレーザ加工ヘッドでは、細管状の切断ガスノズルから切断ガスを噴射しながら、分割レーザ光１２ａ，１２ｂを集光照射することにより、ワークの切断を行う。
【０００８】また、インプロセスモニタリングシステムとして、レーザ溶接やレーザ切断などにおける加工状況の監視などを行うためにＣＣＤカメラやモニタリングファイバをレーザ加工ヘッドに設けることがある。この場合、従来は図８のような構成としていた。即ち、ワーク２８における被加工部２８ａの画像抽出と発光抽出とを集光光学系２４の光軸方向から（前記被加工部の真上から）行うことができるようにするため、即ち、同軸の画像を可視化するため、ＹＡＧレーザ光２６を伝送する光ファイバ２５をヘッドの側方に配置し、この光ファイバ２５から集光光学系２４の光軸に対して９０°の方向にレーザ光２６を出射し、このレーザ光２６を４５°に傾斜したミラー２７で反射して集光光学系２４へと導くように構成していた。
【０００９】ミラー２７はＹＡＧレーザ光２６を全反射し、被加工部２８ａの発光などを透過するミラーである。そして、このミラー２７の上方にミラー３１、ＣＣＤカメラ２９及びモニタリングファイバ（光ファイバ）３０を配置している。ミラー３１は可視光を反射し、赤外光などの特定波長の光を透過するミラーである。ＣＣＤカメラ２９ではミラー２７を透過しミラー３１で反射して得られる被加工部２８ａの光（画像）をモニタ３２へ伝送し、モニタ３２では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ３０ではミラー２７，３１を透過して得られる被加工部２８ａの発光を光電変換装置３３へ伝送する。光電変換装置３３では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ３４へ伝送し、パーソナルコンピュータ３４では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認をしたり、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の同軸レーザ加工ヘッドでは、一度レーザ光（レーザビーム）を分割し、その中央にアーク電極や切断ガスノズルなどを設置するため、レーザ光の収束のＮＡ（開口数）を押さえるには物理的に限界があり（ビーム中央部に種々設置する故）、従来のレーザビーム単体の場合と同様の小ＮＡの収束ビームを作り出すには、集光光学系のレンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドの大型化が避けられなかった。このため、十分な集光エネルギ密度が得られず、溶け込み能力を従来のレーザビーム単体のレーザ加工ヘッド並にあげることはできなかった。また、厚板切断に適する長焦点ヘッドの構成が難しかった。
【００１１】付言すると、レーザ光の焦点スポット径を小さくして高い集光エネルギ密度を確保しつつ長焦点化を図るには、レンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドが大型化してしまう。レーザ加工ヘッドが大型化すると、ヘッドとワークとの干渉が生じやすくなるため、特に、複雑形状のワークに対しては適用が難しくなる。一方、ヘッドの大型化を避けるために長焦点化が図れない場合には、厚板の切断が難しくなり、また、ヘッドがワークに近づくことにもなるため、スパッタによって光学系が損傷し易くなり、且つ、ワークと干渉し易くなることから、やはり複雑形状のワークへの適用が難しくなる。
【００１２】また、レーザ光１２を分割するために凹凸のルーフミラー１３，１４を用いるため、光学系素子が増えて、損傷の可能性が増え、また、レーザ光の損失も招くことになる。
【００１３】また、分割レーザ光１２ａ，１２ｂの間にＭＩＧ電極１８を配置する場合には、ＭＩＧ電極１８を屈曲させる必要があることから、ワイヤ送給抵抗が大きくなる。このため、図６に示すように送給ローラ１９を用いた高価なプッシュプル装置を設けてＭＩＧ電極１８の送給力を補わなければならなかった。分割レーザ光１２ａ，１２ｂの間に切断ガスノズルを配置する場合にも、やはり切断ガスノズルを屈曲させる必要があるため、圧力損失が大きくなり、切断ガス供給装置の送出圧力を高くする必要があった。
【００１４】また、図８に示すレーザ加工ヘッドの場合には側方からレーザ光２６を入射させる構成であるため、ヘッドの大型化が避けさられなかった。しかも、ミラー２７，３１を用いることから、光学系素子が増えて損傷の可能性が増え、また、レーザ光２６の損失やＣＣＤカメラ２９及びモニタリングファイバ３０に入射する光の損失も招くことになる。
【００１５】従って、本発明は上記のような事情に鑑み、ミラーを要しない簡易な構成とし、ヘッドのコンパクト化、高集光性及び長焦点化が可能であり、また、アーク電極や切断ガスなどの供給が容易なレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【００１８】また、第３発明のレーザ加工ヘッドは、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とする。
【００１９】また、第４発明のレーザ加工ヘッドは、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とする。
【００２０】また、第５発明のレーザ加工ヘッドは、第１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とする。
【００２１】また、第６発明のレーザ加工装置は、第１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図、図２は前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図、図３は図２R>２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。また、図４は各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図、図５はＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図（（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面拡大図）である。
【００２４】＜構成＞図１に示すように、ＹＡＧレーザ発振器５１から出力されたレーザ光（レーザビーム）５２は、レーザ光伝送手段としての光ファイバ５３により遠隔のレーザ加工ヘッド５４まで伝送され、詳細は後述するが、このレーザ加工ヘッド５４で集光されてワーク５５へと照射される。同時に、加工手段としてのＭＩＧ（ＧＭＡ）電極（フィラワイヤ）５７が、ワイヤ送り装置５６からレーザ加工ヘッド５４へ送給され、溶接電源５８からの印加電圧により、ＭＩＧ電極５７からワーク５５へアーク放電７４が行われる。
【００２５】レーザ加工ヘッド５４はＮＣ制御などによって駆動制御されるロボット等のヘッド移動装置５９により、例えば３次元的に移動して位置決めされる。制御系６０では、ヘッド移動装置５９、ＹＡＧレーザ発振器５１、ワイヤ送り装置５６及び溶接電源５８の制御を行う。例えば、レーザ加工ヘッド５９の移動に応じてＹＡＧレーザ発振器５１からのレーザ光出力やＭＩＧ電極５７からのアーク放電のタイミング制御などを行う。
【００２６】ここでレーザ加工ヘッド５４の構成を図２及び図３に基づき詳細に説明する。図２に示すように、レーザ加工ヘッド５４は、そのケース６１内において図中の上から下へ順に光ファイバ５３と、コリメート光学系６２と、集光光学系６３とが配設されている。なお、図中の６４，６５は保護ガラスである。
【００２７】コリメート光学系６２は１枚又は複数枚（図示例では３枚）の小口径レンズ６６を有しており、光ファイバ５３の先端から出射されたレーザ光５２を、レンズ６６によって平行光にする。集光光学系６３はコリメート光学系６２のレンズ６６よりも口径の大きな１枚又は複数枚（図示例では４枚）の半割れレンズ６７を有しており、コリメート光学系６２で平行にされたレーザ光５２を、半割れレンズ６７により集光してワーク５５に照射する。
【００２８】半割れレンズ６７は円形の大口径レンズを中央部で２分割して（レンズ中央で切断して２等分する場合に限らず、レンズ中央よりも少しずれた位置で切断して２等分よりも少し小さく或いは少し大きくしてもよい）、その一方の分割片を用いたものであり、コリメート光学系６２を出たレーザ光５２が全て入射するように配置されている。つまり、半割れレンズ６７の光軸７１の位置（半割れレンズ６７の図中左端位置）を、コリメート光学系６２の光軸７２の位置（レンズ６６の中央位置）に対して、これらの光軸７１，７２と直交する方向（図中左方向）へずらすことにより、コリメート光学系６２のレンズ６６から出たレーザ光５２が全て集光光学系６３の半割れレンズ６７に入射して（半割れレンズ６７を通過して）、集光されるようにしている。このときレーザ光５２の焦点位置は、半割れレンズ６７の光軸７１上に位置するため、半割れレンズ６７の図中左端に位置することになる。
【００２９】また、図３に示すように、半割れレンズ６７は、図中に一点鎖線で示したレーザ光５２の通過しない部分６７ａ，６７ｂが切断除去されて、実際には図中に実線で示す部分のみとなっており、非常にコンパクトである。従って、この半割れレンズ６７を収容するケース６１も非常にコンパクトになっている。
【００３０】そして、図２に示すように、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に案内管７３が光軸７１に沿うようにして固定されており、この案内管７３にＭＩＧ電極５７が挿通されている。即ち、ワイヤ送り装置５６から送出されたＭＩＧ電極５７は、レーザ加工ヘッド５４において、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸７１に沿うように設けられた状態となるため、従来のように屈曲してはおらず（図７参照）、ほぼ真直ぐな状態となる。
【００３１】また、このＭＩＧ電極５７に代えて、図４に示す他の加工手段を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配設するようにしてもよい。
【００３２】図４（ａ）では、加工手段としてのＴＩＧ（タングステン）電極８１を、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、溶接電源８２からの印加電圧により、ＴＩＧ電極８１からワーク８４の被溶接部へアーク放電８３を行い、同時に、前記被溶接部へレーザ光５２も照射して溶接を行う。
【００３３】図４（ｂ）では、加工手段としてのフィラワイヤ９１を、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側には案内管９３が前記光軸に沿うようにして固定されており、この案内管９３にフィラワイヤ９１が挿通されている。この場合には、ワイヤ送り装置９２によってフィラワイヤ９１をワーク９４の被溶接部に供給しながら、レーザ光５２を前記被溶接部に照射してレーザ溶接を行う。
【００３４】図４（ｃ）では、加工手段としての細管状の切断ガスノズル１０１を、半割れレンズ６７の分割面６７側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、切断ガス供給装置１０２から送出される切断ガス（アシストガス）１０３を、切断ガスノズル１０１の先端からワーク１０３の被切断部へと噴射しながら、前記被切断部へレーザ光５２を照射してレーザ切断を行う。また、この場合には、切断ガスノズル１０１として、図４（ｄ）に示すように流路が一旦狭まった後に広がるような形状のノズル（ダイバージェントノズル）を採用することができる。ダイバージェントノズルとすることにより、切断ガス１０３は超音速となり、且つ、非常に細長いガス流動形状となるため、カーフ幅の狭い切断を高速で行うことができる。
【００３５】図４（ｅ）では、加工手段としての粉末ノズル１１１を、半割れレンズ６７の分割面６７側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、粉末供給装置１１２から送出される金属粉末１１３を、粉末ノズル１１１の先端から吐出し、この金属粉末１１３にレーザ光５２を照射して任意の３次元形状物１１４を成形する。
【００３６】また、インプロセスモニタリングシステムとして、ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを設けた場合の構成を図５に基づいて説明する。図５に示すレーザ加工ヘッドでは、図２及び図３に示すレーザ加工ヘッドにおいて、更に、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリングファイバ（光ファイバ）１２２とを、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配設して、ＭＩＧ電極５７に並設している。このため、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリングファイバ１２２では、半割れレンズ６７の光軸方向から（ワーク５５の被溶接部５５ａの真上から）、ミラーなどを介すことなく直接受光して、前記被溶接部５５ａの画像抽出と発光抽出とを行うことができるようになっている。
【００３７】なお、ＭＩＧ電極５７に限らず、図３に示すフィラワイヤ９１や切断ガスノズル１０１などの他の加工手段を設ける場合にも、同様にＣＣＤカメラ１２１やモニタリングファイバ１２２を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配置することができる。
【００３８】ＣＣＤカメラ１２１では被加工部５５ａの可視光（画像）をモニタ１２３へ伝送し、モニタ１２３では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ１２２では被加工部５５ａの発光（赤外光などの特定波長の光）を、発光ダイオードなどを用いた光電変換装置１２４へ伝送する。光電変換装置１２４では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ１２５へ伝送し、パーソナルコンピュータ１２５では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認などをし、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【００３９】＜作用・効果＞以上のように、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５４によれば、半割れレンズ６７を有し、この半割れレンズ６７の光軸位置をコリメート光学系６２の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらすことにより、コリメート光学系６２を出たレーザ光５２が全て半割れレンズ６７に入射するようにして、この半割れレンズ６７によりレーザ光５２をワークに集光照射するように構成するとともに、ＭＩＧ電極５７や切断ガスノズル１０１などの加工手段を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設したため、次のような作用・効果が得られる。
【００４０】即ち、ＭＩＧ電極５２や切断ガスノズル１０１などの加工手段とレーザ光５２とが同軸状になるため、３次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のＮＡの制限を受けない高集光性と長焦点化（特に厚板切断に有効）が可能となる。しかも、本実施の形態ではレーザ光５２が通過しない部分６７ａ，６７ｂを切断除去した半割れレンズ６７を用いているため、単なる半割れレンズ（半円形状のレンズ）を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになっている。
【００４１】また、半割れレンズとして大口径のレンズは用いるものの、これを２分割（２等分又はそれよりも少し小さく切断）し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、１つのレンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【００４２】また、ＭＩＧ電極５７や切断ガスノズル１０２などの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッド５４に設けることができるため、これらの供給が容易になり、ＭＩＧ電極５７を供給するために送給ローラ（プッシュプル装置）を設ける必要がなくて、従来のＭＩＧ溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置１０２の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【００４３】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【００４４】また、細管状の切断ガスノズル１０１を設けてレーザ切断（穴あけも含む）を行うことができ、この場合にはレーザ光に制限されることなく切断ガスノズル１０１を所望の細さにして被切断部に効率良く切断ガス１０３を送り込むことができる。このため、切断速度の向上やカーフ幅の低減などを図ることができる。特に、切断ガスノズル１０１にダイバージェントノズルを採用した場合には、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質（カーフ幅など）が大幅に向上する。
【００４５】また、ＣＣＤカメラ１２１やモニタリングファイバ１２２を設ける場合には、これらを半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配置して光軸方向から（被加工部の真上から）、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光５２を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光５２の損失低減を図ることもできる。
【００４６】そして、上記のようなレーザ加工ヘッド５４を備えたレーザ加工装置は、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【００４７】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明のレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【００４８】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【００４９】従って、この第１又は第２発明のレーザ加工装置によれば、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの加工手段とレーザ光とが同軸状になるため、３次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のＮＡの制限を受けない高集光性と長焦点化（特に厚板切断に有効）が可能となる。
【００５０】また、レンズを２分割し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、１つのレンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【００５１】また、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッドに設けることができるため、これらの供給が容易になり、ＭＩＧ電極を供給するために送給ローラ（プッシュプル装置）を設ける必要がなくて、従来のＭＩＧ溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【００５２】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【００５３】また、第３発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであるため、単なる半割れレンズ（半円形状レンズ）を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになる。
【００５４】また、第４発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであるため、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質（カーフ幅など）が大幅に向上する。
【００５５】また、第５発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことにより、光軸方向から（被加工部の真上から）、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光の損失低減も図ることができる。
【００５６】また、第６発明のレーザ加工装置によれば、第１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことにより、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。
【図４】各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図５】ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図６】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図７】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図８】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【符号の説明】
５１ ＹＡＧレーザ発振器
５２ レーザ光
５３ 光ファイバ
５４ レーザ加工ヘッド
５５ ワーク
５６ ワイヤ送り装置
５７ ＭＩＧ電極
５８ 溶接電源
５９ ヘッド移動装置
６０ 制御系
６１ ケース
６２ コリメート光学系
６３ 集光光学系
６４，６５ 保護ガラス
６６ レンズ
６７ 半割れレンズ
６７ａ，６７ｂ レーザ光が通過しない部分（切断除去部分）
６７ｃ 分割面
７１，７２ 光軸
７３ 案内管
７４ アーク放電
８１ ＴＩＧ電極
８２ 溶接電源
８３ アーク放電
８４ ワーク
９１ フィラワイヤ
９２ ワイヤ送り装置
９３ 案内管
９４ ワーク
１０１ 切断ガスノズル
１０２ 切断ガス供給装置
１０３ 切断ガス
１０４ ワーク
１１１ 粉末ノズル
１１２ 粉末供給装置
１１３ 金属粉末
１１４ ３次元形状物
１２１ ＣＣＤカメラ
１２２ モニタリングファイバ
１２３ モニタ
１２４ 光電変換装置
１２５ パーソナルコンピュータ
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置に関し、例えばレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う場合などに適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば金属同士を接合する場合、溶接技術の一種としてレーザ溶接とアーク溶接とがある。レーザ溶接はＣＯ2 レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器を用いて行われる。なお、ＣＯ2 レーザ光はミラー伝送しなければならないため、その調整に手間がかかるのに対し、ＹＡＧレーザ光は光ファイバによる伝送が可能であるため、ＹＡＧレーザ発振器を用いたレーザ溶接に対する期待が高まっている。一方、アーク溶接としては、ＭＩＧ（ＧＭＡ）溶接などのガスシールド消耗電極式アーク溶接や、ＴＩＧ溶接などのガスシールド非消耗電極式アーク溶接などがある。
【０００３】そして、レーザ溶接では、レーザ光を光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うことができる一方、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接などのアーク溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能である。このため、近年では開先裕度が高く且つ溶け込み深さの深い溶接を行うことなどを目的として、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う方法が研究されている。
【０００４】この場合、図示は省略するが、レーザ溶接ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッドとが独立していると、ヘッド全体が非常に大型となり、しかも、溶接位置や溶接姿勢の変化に対応してレーザ溶接ヘッドとＭＩＧ溶接ヘッドの相対位置関係を常に一定に保持するのが面倒であり、特にロボットによる３次元加工には適さない。
【０００５】そこで、これらの問題点等を解決するため、図６に示すようなレーザ加工ヘッドを開発した。このレーザ加工ヘッドでは、光ファイバ１１で伝送してきたレーザ光１２を凸型ルーフミラー１３と凹型ルーフミラー１４とで反射して第１分割レーザ光１２ａと第２分割レーザ光１２ｂとに２分割することにより、両者間に空間部１７を形成し、これらの分割レーザ光１２ａ，１２ｂを集光光学系１５で集光してワーク１６に照射するようになっている。そして、図示しないワイヤ送り装置から送給されるＭＩＧ電極（フィラワイヤ）１８を、分割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に挿入することにより、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが同軸状になるようにしている。このレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光１２ａ，１２ｂとＭＩＧ電極１８とが同軸状になっているため、面倒な相対位置関係の調節を必要とせず、ロボットによる３次元加工なども容易に行うことができる。
【０００６】また、レーザ光は切断にも用いられる。図７R>７はレーザ切断を行う従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。この図７に示すレーザ加工ヘッドでは、集光光学系２０によって集光されたレーザ光２１の周囲を囲むようにテーパ状の切断ガスノズル２２を設け、この切断ガスノズル２２の先端開口部２２ａから切断ガス（アシストガス）２４をワーク２３の被切断部２３ａに噴射する構成となっている。このため、切断ガスの流速を増加させたり、切断ガス２４を被切断部２３ａ内に効率よく送り込むために切断ガスノズル２２の先端開口部２２ａを細くしようとしても、レーザ光２１と干渉してしまうため、限界があった。
【０００７】そこで、このような問題点等を解決するため、図示は省略するが、図７に示すように２分割された分割レーザ光１２ａ，１２ｂの空間部１７に細管状の切断ガスノズルを挿入することにより、この切断ガスノズルとレーザ光１２ａ，１２ｂとが同軸状になるようにしたレーザ加工ヘッドの開発を行った。このレーザ加工ヘッドでは、細管状の切断ガスノズルから切断ガスを噴射しながら、分割レーザ光１２ａ，１２ｂを集光照射することにより、ワークの切断を行う。
【０００８】また、インプロセスモニタリングシステムとして、レーザ溶接やレーザ切断などにおける加工状況の監視などを行うためにＣＣＤカメラやモニタリングファイバをレーザ加工ヘッドに設けることがある。この場合、従来は図８のような構成としていた。即ち、ワーク２８における被加工部２８ａの画像抽出と発光抽出とを集光光学系２４の光軸方向から（前記被加工部の真上から）行うことができるようにするため、即ち、同軸の画像を可視化するため、ＹＡＧレーザ光２６を伝送する光ファイバ２５をヘッドの側方に配置し、この光ファイバ２５から集光光学系２４の光軸に対して９０°の方向にレーザ光２６を出射し、このレーザ光２６を４５°に傾斜したミラー２７で反射して集光光学系２４へと導くように構成していた。
【０００９】ミラー２７はＹＡＧレーザ光２６を全反射し、被加工部２８ａの発光などを透過するミラーである。そして、このミラー２７の上方にミラー３１、ＣＣＤカメラ２９及びモニタリングファイバ（光ファイバ）３０を配置している。ミラー３１は可視光を反射し、赤外光などの特定波長の光を透過するミラーである。ＣＣＤカメラ２９ではミラー２７を透過しミラー３１で反射して得られる被加工部２８ａの光（画像）をモニタ３２へ伝送し、モニタ３２では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ３０ではミラー２７，３１を透過して得られる被加工部２８ａの発光を光電変換装置３３へ伝送する。光電変換装置３３では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ３４へ伝送し、パーソナルコンピュータ３４では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認をしたり、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従来の同軸レーザ加工ヘッドでは、一度レーザ光（レーザビーム）を分割し、その中央にアーク電極や切断ガスノズルなどを設置するため、レーザ光の収束のＮＡ（開口数）を押さえるには物理的に限界があり（ビーム中央部に種々設置する故）、従来のレーザビーム単体の場合と同様の小ＮＡの収束ビームを作り出すには、集光光学系のレンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドの大型化が避けられなかった。このため、十分な集光エネルギ密度が得られず、溶け込み能力を従来のレーザビーム単体のレーザ加工ヘッド並にあげることはできなかった。また、厚板切断に適する長焦点ヘッドの構成が難しかった。
【００１１】付言すると、レーザ光の焦点スポット径を小さくして高い集光エネルギ密度を確保しつつ長焦点化を図るには、レンズ口径を大きくする必要があるため、ヘッドが大型化してしまう。レーザ加工ヘッドが大型化すると、ヘッドとワークとの干渉が生じやすくなるため、特に、複雑形状のワークに対しては適用が難しくなる。一方、ヘッドの大型化を避けるために長焦点化が図れない場合には、厚板の切断が難しくなり、また、ヘッドがワークに近づくことにもなるため、スパッタによって光学系が損傷し易くなり、且つ、ワークと干渉し易くなることから、やはり複雑形状のワークへの適用が難しくなる。
【００１２】また、レーザ光１２を分割するために凹凸のルーフミラー１３，１４を用いるため、光学系素子が増えて、損傷の可能性が増え、また、レーザ光の損失も招くことになる。
【００１３】また、分割レーザ光１２ａ，１２ｂの間にＭＩＧ電極１８を配置する場合には、ＭＩＧ電極１８を屈曲させる必要があることから、ワイヤ送給抵抗が大きくなる。このため、図６に示すように送給ローラ１９を用いた高価なプッシュプル装置を設けてＭＩＧ電極１８の送給力を補わなければならなかった。分割レーザ光１２ａ，１２ｂの間に切断ガスノズルを配置する場合にも、やはり切断ガスノズルを屈曲させる必要があるため、圧力損失が大きくなり、切断ガス供給装置の送出圧力を高くする必要があった。
【００１４】また、図８に示すレーザ加工ヘッドの場合には側方からレーザ光２６を入射させる構成であるため、ヘッドの大型化が避けさられなかった。しかも、ミラー２７，３１を用いることから、光学系素子が増えて損傷の可能性が増え、また、レーザ光２６の損失やＣＣＤカメラ２９及びモニタリングファイバ３０に入射する光の損失も招くことになる。
【００１５】従って、本発明は上記のような事情に鑑み、ミラーを要しない簡易な構成とし、ヘッドのコンパクト化、高集光性及び長焦点化が可能であり、また、アーク電極や切断ガスなどの供給が容易なレーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１発明のレーザ加工ヘッドは、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【００１８】また、第３発明のレーザ加工ヘッドは、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とする。
【００１９】また、第４発明のレーザ加工ヘッドは、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とする。
【００２０】また、第５発明のレーザ加工ヘッドは、第１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とする。
【００２１】また、第６発明のレーザ加工装置は、第１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００２３】図１は本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図、図２は前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図、図３は図２R>２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。また、図４は各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図、図５はＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図（（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面拡大図）である。
【００２４】＜構成＞図１に示すように、ＹＡＧレーザ発振器５１から出力されたレーザ光（レーザビーム）５２は、レーザ光伝送手段としての光ファイバ５３により遠隔のレーザ加工ヘッド５４まで伝送され、詳細は後述するが、このレーザ加工ヘッド５４で集光されてワーク５５へと照射される。同時に、加工手段としてのＭＩＧ（ＧＭＡ）電極（フィラワイヤ）５７が、ワイヤ送り装置５６からレーザ加工ヘッド５４へ送給され、溶接電源５８からの印加電圧により、ＭＩＧ電極５７からワーク５５へアーク放電７４が行われる。
【００２５】レーザ加工ヘッド５４はＮＣ制御などによって駆動制御されるロボット等のヘッド移動装置５９により、例えば３次元的に移動して位置決めされる。制御系６０では、ヘッド移動装置５９、ＹＡＧレーザ発振器５１、ワイヤ送り装置５６及び溶接電源５８の制御を行う。例えば、レーザ加工ヘッド５９の移動に応じてＹＡＧレーザ発振器５１からのレーザ光出力やＭＩＧ電極５７からのアーク放電のタイミング制御などを行う。
【００２６】ここでレーザ加工ヘッド５４の構成を図２及び図３に基づき詳細に説明する。図２に示すように、レーザ加工ヘッド５４は、そのケース６１内において図中の上から下へ順に光ファイバ５３と、コリメート光学系６２と、集光光学系６３とが配設されている。なお、図中の６４，６５は保護ガラスである。
【００２７】コリメート光学系６２は１枚又は複数枚（図示例では３枚）の小口径レンズ６６を有しており、光ファイバ５３の先端から出射されたレーザ光５２を、レンズ６６によって平行光にする。集光光学系６３はコリメート光学系６２のレンズ６６よりも口径の大きな１枚又は複数枚（図示例では４枚）の半割れレンズ６７を有しており、コリメート光学系６２で平行にされたレーザ光５２を、半割れレンズ６７により集光してワーク５５に照射する。
【００２８】半割れレンズ６７は円形の大口径レンズを中央部で２分割して（レンズ中央で切断して２等分する場合に限らず、レンズ中央よりも少しずれた位置で切断して２等分よりも少し小さく或いは少し大きくしてもよい）、その一方の分割片を用いたものであり、コリメート光学系６２を出たレーザ光５２が全て入射するように配置されている。つまり、半割れレンズ６７の光軸７１の位置（半割れレンズ６７の図中左端位置）を、コリメート光学系６２の光軸７２の位置（レンズ６６の中央位置）に対して、これらの光軸７１，７２と直交する方向（図中左方向）へずらすことにより、コリメート光学系６２のレンズ６６から出たレーザ光５２が全て集光光学系６３の半割れレンズ６７に入射して（半割れレンズ６７を通過して）、集光されるようにしている。このときレーザ光５２の焦点位置は、半割れレンズ６７の光軸７１上に位置するため、半割れレンズ６７の図中左端に位置することになる。
【００２９】また、図３に示すように、半割れレンズ６７は、図中に一点鎖線で示したレーザ光５２の通過しない部分６７ａ，６７ｂが切断除去されて、実際には図中に実線で示す部分のみとなっており、非常にコンパクトである。従って、この半割れレンズ６７を収容するケース６１も非常にコンパクトになっている。
【００３０】そして、図２に示すように、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に案内管７３が光軸７１に沿うようにして固定されており、この案内管７３にＭＩＧ電極５７が挿通されている。即ち、ワイヤ送り装置５６から送出されたＭＩＧ電極５７は、レーザ加工ヘッド５４において、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸７１に沿うように設けられた状態となるため、従来のように屈曲してはおらず（図７参照）、ほぼ真直ぐな状態となる。
【００３１】また、このＭＩＧ電極５７に代えて、図４に示す他の加工手段を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配設するようにしてもよい。
【００３２】図４（ａ）では、加工手段としてのＴＩＧ（タングステン）電極８１を、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、溶接電源８２からの印加電圧により、ＴＩＧ電極８１からワーク８４の被溶接部へアーク放電８３を行い、同時に、前記被溶接部へレーザ光５２も照射して溶接を行う。
【００３３】図４（ｂ）では、加工手段としてのフィラワイヤ９１を、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側には案内管９３が前記光軸に沿うようにして固定されており、この案内管９３にフィラワイヤ９１が挿通されている。この場合には、ワイヤ送り装置９２によってフィラワイヤ９１をワーク９４の被溶接部に供給しながら、レーザ光５２を前記被溶接部に照射してレーザ溶接を行う。
【００３４】図４（ｃ）では、加工手段としての細管状の切断ガスノズル１０１を、半割れレンズ６７の分割面６７側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、切断ガス供給装置１０２から送出される切断ガス（アシストガス）１０３を、切断ガスノズル１０１の先端からワーク１０３の被切断部へと噴射しながら、前記被切断部へレーザ光５２を照射してレーザ切断を行う。また、この場合には、切断ガスノズル１０１として、図４（ｄ）に示すように流路が一旦狭まった後に広がるような形状のノズル（ダイバージェントノズル）を採用することができる。ダイバージェントノズルとすることにより、切断ガス１０３は超音速となり、且つ、非常に細長いガス流動形状となるため、カーフ幅の狭い切断を高速で行うことができる。
【００３５】図４（ｅ）では、加工手段としての粉末ノズル１１１を、半割れレンズ６７の分割面６７側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設している。この場合には、粉末供給装置１１２から送出される金属粉末１１３を、粉末ノズル１１１の先端から吐出し、この金属粉末１１３にレーザ光５２を照射して任意の３次元形状物１１４を成形する。
【００３６】また、インプロセスモニタリングシステムとして、ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを設けた場合の構成を図５に基づいて説明する。図５に示すレーザ加工ヘッドでは、図２及び図３に示すレーザ加工ヘッドにおいて、更に、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリングファイバ（光ファイバ）１２２とを、半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配設して、ＭＩＧ電極５７に並設している。このため、ＣＣＤカメラ１２１とモニタリングファイバ１２２では、半割れレンズ６７の光軸方向から（ワーク５５の被溶接部５５ａの真上から）、ミラーなどを介すことなく直接受光して、前記被溶接部５５ａの画像抽出と発光抽出とを行うことができるようになっている。
【００３７】なお、ＭＩＧ電極５７に限らず、図３に示すフィラワイヤ９１や切断ガスノズル１０１などの他の加工手段を設ける場合にも、同様にＣＣＤカメラ１２１やモニタリングファイバ１２２を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配置することができる。
【００３８】ＣＣＤカメラ１２１では被加工部５５ａの可視光（画像）をモニタ１２３へ伝送し、モニタ１２３では遠隔監視のために前記画像を画面に映し出す。モニタリングファイバ１２２では被加工部５５ａの発光（赤外光などの特定波長の光）を、発光ダイオードなどを用いた光電変換装置１２４へ伝送する。光電変換装置１２４では前記発光を光電変換してパーソナルコンピュータ１２５へ伝送し、パーソナルコンピュータ１２５では光電変換された前記発光の強度分布などを分析して加工品質の確認を行う。例えば溶接の場合には溶け込み深さの確認などをし、切断の場合には確実に切断されているか否かの確認などをする。
【００３９】＜作用・効果＞以上のように、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５４によれば、半割れレンズ６７を有し、この半割れレンズ６７の光軸位置をコリメート光学系６２の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらすことにより、コリメート光学系６２を出たレーザ光５２が全て半割れレンズ６７に入射するようにして、この半割れレンズ６７によりレーザ光５２をワークに集光照射するように構成するとともに、ＭＩＧ電極５７や切断ガスノズル１０１などの加工手段を半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に半割れレンズ６７の光軸に沿って配設したため、次のような作用・効果が得られる。
【００４０】即ち、ＭＩＧ電極５２や切断ガスノズル１０１などの加工手段とレーザ光５２とが同軸状になるため、３次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のＮＡの制限を受けない高集光性と長焦点化（特に厚板切断に有効）が可能となる。しかも、本実施の形態ではレーザ光５２が通過しない部分６７ａ，６７ｂを切断除去した半割れレンズ６７を用いているため、単なる半割れレンズ（半円形状のレンズ）を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになっている。
【００４１】また、半割れレンズとして大口径のレンズは用いるものの、これを２分割（２等分又はそれよりも少し小さく切断）し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、１つのレンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【００４２】また、ＭＩＧ電極５７や切断ガスノズル１０２などの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッド５４に設けることができるため、これらの供給が容易になり、ＭＩＧ電極５７を供給するために送給ローラ（プッシュプル装置）を設ける必要がなくて、従来のＭＩＧ溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置１０２の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【００４３】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【００４４】また、細管状の切断ガスノズル１０１を設けてレーザ切断（穴あけも含む）を行うことができ、この場合にはレーザ光に制限されることなく切断ガスノズル１０１を所望の細さにして被切断部に効率良く切断ガス１０３を送り込むことができる。このため、切断速度の向上やカーフ幅の低減などを図ることができる。特に、切断ガスノズル１０１にダイバージェントノズルを採用した場合には、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質（カーフ幅など）が大幅に向上する。
【００４５】また、ＣＣＤカメラ１２１やモニタリングファイバ１２２を設ける場合には、これらを半割れレンズ６７の分割面６７ｃ側に配置して光軸方向から（被加工部の真上から）、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光５２を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光５２の損失低減を図ることもできる。
【００４６】そして、上記のようなレーザ加工ヘッド５４を備えたレーザ加工装置は、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【００４７】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、第１発明のレーザ加工ヘッドによれば、レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とする。
【００４８】また、第２発明のレーザ加工ヘッドは、第１発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とする。
【００４９】従って、この第１又は第２発明のレーザ加工装置によれば、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの加工手段とレーザ光とが同軸状になるため、３次元加工に適するなど、従来の同軸レーザ加工ヘッドと同等の機能を有し、しかも、ヘッドのコンパクト化を図れるとともに収束のＮＡの制限を受けない高集光性と長焦点化（特に厚板切断に有効）が可能となる。
【００５０】また、レンズを２分割し、その一方の分割片のみを用いてレーザ加工ヘッドを製造することができるため、１つのレンズで２組のレーザ加工ヘッドを製造することができ、コストの低減を図ることができる。
【００５１】また、ＭＩＧ電極や切断ガスノズルなどの加工手段を、従来のように屈曲させることなくレーザ加工ヘッドに設けることができるため、これらの供給が容易になり、ＭＩＧ電極を供給するために送給ローラ（プッシュプル装置）を設ける必要がなくて、従来のＭＩＧ溶接装置をそのまま使うことができ、また、切断ガス供給装置の送出圧力を高めたりすることなども不要となる。
【００５２】また、従来の同軸レーザ加工ヘッドのようにミラーを用いる必要がないため、光学系素子の低減やレーザ光の損失低減などを図ることができる。
【００５３】また、第３発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであるため、単なる半割れレンズ（半円形状レンズ）を用いる場合に比べて更にヘッドがコンパクトになる。
【００５４】また、第４発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１又は第２発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであるため、切断ガスを超音速にし、且つ、非常に細長いガス流動形状を実現することができるため、切断速度や切断品質（カーフ幅など）が大幅に向上する。
【００５５】また、第５発明のレーザ加工ヘッドによれば、第１，第２，第３又は第４発明のレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことにより、光軸方向から（被加工部の真上から）、ミラーなどを介すことなく直接、被加工部からの光を受光することができるため、構成が簡易になり、光の損失が低減されて確実に画像抽出や発光抽出を行うことができる。また、従来のように側方からレーザ光を入射させてミラーで反射させる必要がなく、光軸方向にレーザ光を入射することができるため、ヘッドがコンパクトになり、レーザ光の損失低減も図ることができる。
【００５６】また、第６発明のレーザ加工装置によれば、第１，第２，第３，第４又は第５発明のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことにより、溶接や切断などの加工能力に優れ、複雑形状のワークにも適用可能な高性能のレーザ加工装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置のシステム構成図である。
【図２】前記レーザ加工装置に備えたレーザ加工ヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線矢視断面拡大図である。
【図４】各種の加工手段を備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図５】ＣＣＤカメラ及びモニタリングファイバを備えたレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図６】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図７】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【図８】従来のレーザ加工ヘッドの構成図である。
【符号の説明】
５１ ＹＡＧレーザ発振器
５２ レーザ光
５３ 光ファイバ
５４ レーザ加工ヘッド
５５ ワーク
５６ ワイヤ送り装置
５７ ＭＩＧ電極
５８ 溶接電源
５９ ヘッド移動装置
６０ 制御系
６１ ケース
６２ コリメート光学系
６３ 集光光学系
６４，６５ 保護ガラス
６６ レンズ
６７ 半割れレンズ
６７ａ，６７ｂ レーザ光が通過しない部分（切断除去部分）
６７ｃ 分割面
７１，７２ 光軸
７３ 案内管
７４ アーク放電
８１ ＴＩＧ電極
８２ 溶接電源
８３ アーク放電
８４ ワーク
９１ フィラワイヤ
９２ ワイヤ送り装置
９３ 案内管
９４ ワーク
１０１ 切断ガスノズル
１０２ 切断ガス供給装置
１０３ 切断ガス
１０４ ワーク
１１１ 粉末ノズル
１１２ 粉末供給装置
１１３ 金属粉末
１１４ ３次元形状物
１２１ ＣＣＤカメラ
１２２ モニタリングファイバ
１２３ モニタ
１２４ 光電変換装置
１２５ パーソナルコンピュータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】 請求項１に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】 請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】 請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】 請求項１，２，３又は４に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５に記載のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】 レーザ光を平行にするコリメート光学系と、半割れレンズを有し、この半割れレンズの光軸位置を前記コリメート光学系の光軸位置に対してこれらの光軸と直交する方向へずらして前記コリメート光学系を出たレーザ光が全て半割れレンズに入射するようにし、この半割れレンズによって前記レーザ光をワークに集光照射する集光光学系と、前記半割れレンズの分割面側に半割れレンズの光軸に沿って配設された加工手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】 請求項１に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は、ＭＩＧ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、細管状の切断ガスノズル又は粉末ノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】 請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記半割れレンズは、レーザ光が通過しない部分を切断除去したものであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】 請求項１又は２に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記加工手段は細管状の切断ガスノズルであり、且つ、この切断ガスノズルはダイバージェントノズルであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】 請求項１，２，３又は４に記載するレーザ加工ヘッドにおいて、前記ワークの被加工部を撮像してモニタへ画像を伝送するＣＣＤカメラと、前記被加工部の発光を加工品質解析手段へと伝送するモニタリングファイバの何れか一方又は両方を、前記半割れレンズの分割面側に配設したことを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項６】 請求項１，２，３，４又は５に記載のレーザ加工ヘッドと、レーザ光を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドへと伝送するレーザ光伝送手段と、前記レーザ加工ヘッドを移動して位置決めするヘッド移動手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２００２−３０７１７７（Ｐ２００２−３０７１７７Ａ）
【公開日】平成１４年１０月２２日（２００２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００１−１１４８３７（Ｐ２００１−１１４８３７）
【出願日】平成１３年４月１３日（２００１．４．１３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１４年１０月２２日（２００２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１３年４月１３日（２００１．４．１３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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