レーザ加工装置およびその加工方法
【課題】 プルームを効果的にレーザ照射部の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置の提供を目的とする。
【解決手段】 レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、加工材料４０のレーザ溶射部１０１にレーザ光２０を照射する集光レンズ３と、レーザ溶射部１０１の斜め上方に設けられ、ノズル開口部５０の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、レーザ照射部４１に向けてシールドガス３０を噴射するシールドガスノズル６と、シールドガス供給装置７と、シールドガスノズル６と反対側であって、レーザ溶射部１０１の斜め上方に設けられ、空気を吸引する吸引ノズル８と、吸引装置９とを備える。
【解決手段】 レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、加工材料４０のレーザ溶射部１０１にレーザ光２０を照射する集光レンズ３と、レーザ溶射部１０１の斜め上方に設けられ、ノズル開口部５０の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、レーザ照射部４１に向けてシールドガス３０を噴射するシールドガスノズル６と、シールドガス供給装置７と、シールドガスノズル６と反対側であって、レーザ溶射部１０１の斜め上方に設けられ、空気を吸引する吸引ノズル８と、吸引装置９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスをレーザ照射部に噴射してレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は、レーザ光源において発生させたレーザ光を集光レンズで集光して加工材料に照射し、加工材料を加熱、溶融させて切削や溶接を行う方法である。レーザ加工では、集光されたレーザ光が高いエネルギー密度で加工材料に照射されるため、加工材料のレーザ照射部は、加工材料の沸点まで加熱されて蒸発が起こり、その反発力によってキーホールと呼ばれる空洞を形成して、深い溶け込み深さの加工が行われる。
【０００３】
このとき、加工材料の蒸発によって金属蒸気であるプルームが発生するが、プルームがレーザ加工装置のレーザ光源や集光レンズに付着すると、レーザ光源や集光レンズを損傷させ、または機能を低下させる可能性がある。したがって、通常、レーザ加工装置においては、集光レンズから照射されたレーザ光を横切るようにジェットガスを供給して、プルームがレーザ光源や集光レンズに付着することを防いでいる。さらに、レーザ光の照射によって生じる熱による加工材料の酸化を防ぐために、レーザ照射部にシールドガスを噴射し、レーザ照射部を大気から保護している。
【０００４】
ここで、レーザ照射部から発生したプルームは、熱対流によりレーザ照射部から鉛直上方向に立ち上る。レーザ光が鉛直上方向に立ち上るプルーム内を通過すると、プルームにレーザ光が吸収され、またはプルームによってレーザ光が屈折し、レーザ加工の強度および精度を低下させる原因となる。
【０００５】
そこで、シールドガスを噴射するシールドガスノズルをレーザ照射部の斜め上方に設け、シールドガスをレーザ照射部に斜め上方から噴射することによって、レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを、シールドガスによってレーザ照射部を挟んでシールドガスノズルと反対側へ押し流し、さらに押し流したプルームを吸引ノズルによって吸引する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実用新案登録第３１４３４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術は、シールドガスノズルのノズル開口部の形状が、レーザ照射部およびその周辺部からなるレーザ加工によって高温となる部位をカバーしてシールドガスを噴射できる程度の大きさの円形状であるため、レーザ照射部の鉛直上方においてプルームに対して十分にシールドガスを噴射することができず、レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを十分に吸引ノズル側へ押し流すことができないという課題があった。
【０００８】
さらに、上述した特許文献１に記載の技術は、シールドガスノズルからシールドガスを大量に噴射するためには、シールドガスの流速を早める必要があるが、シールドガスの流速を早めると、シールドガスに大気中の酸素の巻き込みが起こり、最適な加工雰囲気においてレーザ加工ができないという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は、レーザ加工によって発生するプルームを効果的にレーザ照射部の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部にレーザ光を照射する集光レンズと、レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、ノズル開口部の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ照射部に向けてシールドガスを噴射するシールドガスノズルと、シールドガスノズルにシールドガスを供給するするシールドガス供給装置と、レーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側であって、レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、空気を吸引する吸引ノズルと、吸引ノズルに空気を吸引させる吸引装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、レーザ光源からレーザ光を発生させ、集光レンズによって、レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部に照射する工程と、ノズル開口部が鉛直方向に楕円形状または長円形状であって、レーザ溶射部の斜め上方に設けられるシールドガスノズルによって、レーザ照射部に向けてシールドガスを噴射し、さらに、シールドガスによってレーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームをレーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側へ押し流す工程と、レーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側に設けられた吸引ノズルによって、プルームを含有した空気を吸引する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、レーザ加工において、レーザ加工によって発生するプルームを効果的にレーザ照射部の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略図。
【図２】シールドガスによってプルームを押し流す働きを示し、（a）は、従来のレーザ加工装置における働きを示す概略図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における働きを示す概略図。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のシールドガスノズルのノズル開口部の変形例を示し、(a)は長円形状の例を示す縦断面図、(ｂ)は長円形状の外枠内に円形状のノズルを縦に２つ設けた例を示す縦断面図、(ｃ)は長円形状の外枠内に複数のスリットを縦方向に並べた例を示す縦断面図、(ｄ)は長方形形状を示す縦断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の上部カバーを設けた変形例を示す概略図。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の酸素濃度測定器を設けた変形例を示す概略図。
【図６】シールドガスノズルからのシールドガスの流れの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスの流れを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスの流れを示す解析図。
【図７】シールドガスへの酸素の巻き込みの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
（構成）
以下、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、集光レンズ３と、ジェットガスノズル４と、ジェットガス供給装置５と、シールドガスノズル６と、シールドガス供給装置７と、吸引ノズル８と、吸引装置９とから構成される。
【００１６】
レーザ光源２は、YAGレーザ、CO2レーザ、エキシマレーザといった一般的なレーザ加工に用いられるレーザ光２０を発生させる装置である。レーザ光源２は、レーザ光源２が発生させたレーザ光２０を集光レンズ３に導くことができるように、レーザ光源２と集光レンズ３は接続される。
【００１７】
集光レンズ３は、加工材料４０におけるレーザ照射部４１に最適なスポット径をもってレーザ光２０を照射する光学機器である。ここで、最適なスポット径は、１０ｋＷ程度のレーザ光２０においては１ｍｍ程度である。
【００１８】
ジェットガス供給装置５は、ジェットガス２１として使用するガスを内部に内蔵する機器であり、ジェットガスノズル４にジェットガス２１を供給できるように、ジェットガス供給装置５とジェットガスノズル４は接続される。ここで、ジェットガス供給装置５は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じてジェットガスノズル４へのジェットガス２１の供給量を調整できるものとする。
【００１９】
ジェットガスノズル４は、ノズル先端からジェットガス２１を噴射する機器であり、ジェットガス２１が集光レンズ３から照射されたレーザ光２０を横切り、ジェットガス２１によって集光レンズ３が加工材料４０側から眺めたときに露出しないようにジェットガス２１を噴射できるように、ジェットガスノズル４は集光レンズ３の近傍に配置される。
【００２０】
シールドガス供給装置７は、シールドガス３０を内部に内蔵する機器であり、シールドガスノズル６にシールドガス３０を供給できるように、シールドガス供給装置７とシールドガスノズル６は接続される。ここで、シールドガス供給装置７は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じてシールドノズル６へのシールドガス３０の供給量を調整できるものとする。
【００２１】
次に、シールドガスノズル６について説明する。シールドガスノズル６は、ノズル開口部５０からシールドガス３０を噴射する機器である。図１のように、シールドガスノズル６は、ノズル開口部５０をレーザ照射部４１に向けて、レーザ照射部４１の斜め上方に配置される。
【００２２】
シールドガスノズル６の長手方向の断面積は、シールドガス３０の噴射方向に従って大きくなっており、さらにノズル開口部５０の形状は、鉛直方向に縦長な楕円形状である。ここで、レーザ加工装置１によるレーザ加工においては、レーザ照射部４１においてレーザ光２０のスポット径と同程度の大きさのキーホール４２が形成されて加工が行われる。さらに、キーホール４２の周辺部もキーホール４２からの伝熱によって高温状態となる。したがって、キーホール４２ならびにその周辺部からなる高温部位４３の酸化を防ぐためにシールドガス３０の噴射による保護が必要である。したがって、ノズル開口部５０の楕円形状の短径は、高温部位４３をカバーしてシールドガス３０を噴射できる長さである１０ｍｍ程度とし、ノズル開口部５０の楕円形状の長径は、短径の２倍の２０ｍｍ程度長さとする。
【００２３】
吸引装置９は、ファンやポンプによって空気を吸引する機器であり、吸引ノズル８のノズル先端から空気を吸引できるように、吸引装置９と吸引ノズル８は接続される。ここで、吸引装置９は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じて空気の吸引量を調整できるものとする。吸引ノズル８は、レーザ照射部４１を挟んで、シールドガスノズル６と反対側において、ノズル先端を斜め下方のレーザ照射部４１側へ向けて、レーザ照射部４１の斜め上方に配置される。
【００２４】
（作用）
以下、本発明の実施形態の作用について説明する。レーザ加工装置１によるレーザ加工時においては、上述した構成のレーザ加工装置１は、加工材料４０上において、集光レンズ３が最適なスポット径をもってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射できる距離を離間させて配置される。加工材料４０は、スライドテーブルやターンテーブルによって加工方向４４と逆方向に移動させられ、レーザ加工装置１は、加工材料４０上のレーザ照射部４１を加工方向４４に移動させながらレーザ加工を行う。ここで、加工方向４４は、吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向に定めるものとする。
【００２５】
レーザ加工において、レーザ光源２はレーザ光２０を発生させ、集光レンズ３はレーザ光２０を集光させ、最適なスポット径をもってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射する。さらに、ジェットガスノズル４は、集光レンズ３から照射されたレーザ光２０を横切るようにジェットガス２１を噴射する。また、シールドガスノズル６は、レーザ照射部４１にシールドガス３０を噴射する。
【００２６】
レーザ照射部４１へのレーザ光２０の照射によって、加工材料４０のレーザ照射部４１は、加工材料４０の沸点まで加熱されて蒸発が起こり、その反発力によってキーホール４２を形成して、深い溶け込み深さの加工が行われる。このとき、加工材料４０の蒸発によって金属蒸気であるプルーム２２が発生する。
【００２７】
プルーム２２は、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るように発生する。このとき、シールドガスノズル６によって、斜め上方からレーザ照射部４１に向けてシールドガス３０が噴射されているが、本実施形態におけるシールドガス３０には、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るプルーム２２を吸引ノズル８が配置されている側へ押し流す働きと、レーザ照射部４１付近をレーザ加工に最適な加工雰囲気とする働きがある。
【００２８】
まず、シールドガス３０による、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るプルーム２２を吸引ノズル８が配置されている側へ押し流す働きについて説明する。以下に、従来のレーザ加工装置６０と本実施形態におけるレーザ加工装置１のプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す働きの比較を説明する。図２は、シールドガスによってプルームを押し流す働きを示し、（a）は、従来のレーザ加工装置における働きを示す概略図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における働きを示す概略図である。図２（a）において、従来のレーザ加工装置６０の構成で、本実施形態のレーザ加工装置１と同一の構成については同一の符号を付し、同一の構成については説明を省略する。さらに、図６は、シールドガスノズルからのシールドガスの流れの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスの流れを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスの流れを示す解析図である。
【００２９】
まず、従来のレーザ加工装置６０におけるシールドガス３０によってプルーム２２を押し流す働きについて説明する。図２（a）に示す、従来のレーザ溶接装置６０における従来のシールドガスノズル６１の従来のノズル開口部６２の形状は、高温部位４３をカバーしてシールドガス３０を噴射できる長さである直径１０ｍｍ程度の円形状である。したがって、図６（a）のように、シールドガス３０が従来のノズル開口部６２からレーザ照射部４１に向けて噴射される過程において、レーザ照射部４１の鉛直上方においてシールドガス３０がプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す領域は小さく、プルーム２２を十分に吸引ノズル８側へ押し流すことができない。
【００３０】
これに対し、図２（ｂ）に示す、本実施形態におけるレーザ加工装置１は、シールドガスノズル６のノズル開口部５０の形状は、長径が短径の２倍程度の長さの鉛直方向に縦長な楕円形状であるため、図６（ｂ）のように、レーザ照射部４１の鉛直上方においてシールドガス３０がプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す領域は大きく、プルーム２２を効果的に吸引ノズル８側へ押し流すことができる。
【００３１】
シールドガス３０によって吸引ノズル８側へ押し流されたプルーム２２は、シールドガス３０とともに吸引空気３１として吸引ノズル８に吸引される。ここで、できるだけ遅いシールドガス３０の流速によって吸引ノズル８側へ押し流されたプルーム２２を吸引ノズル８によって吸引空気３１として吸引するために、吸引ノズル８のノズル先端をシールドガスノズル６のノズル開口部５０の中心よりも上方に配置し、押し流されたプルーム２２を吸引ノズル８によって上方から吸い取るようにすることが望ましい。
【００３２】
ここで、吸引ノズル８に吸引されなかったプルーム２２は、上方の集光レンズ３へ立ち上るが、集光レンズ３は、ジェットガス２１によって保護されているため、プルーム２２が集光レンズ３に付着することが防止される。
【００３３】
次に、シールドガス３０による、レーザ照射部４１付近をレーザ加工に最適な加工雰囲気とする働きについて説明する。レーザ加工装置１によって、加工材料の切断や突合せ溶接などを行うときには、レーザ光２０の強度を高めるとともに、レーザ照射部４１付近において最適な加工雰囲気を作り出し、かつレーザ加工によって生じるプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流すために、シールドガス３０の噴射量を高める必要がある。
【００３４】
図７は、シールドガスへの酸素の巻き込みの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図である。
【００３５】
ここで、従来のレーザ加工装置６０における従来のシールドガスノズル６１の従来のノズル開口部６２は、直径１０ｍｍ程度の円形状であるため、シールドガス３０の噴射量を高めるためには、従来のシールドガスノズル６１から噴射するシールドガス３０の流速を早める必要がある。しかしながら、シールドガス３０の流速を早くすると、図７（a）のように、シールドガス３０に周囲の酸素３２が巻き込まれ、逆にレーザ加工に最適な加工雰囲気とすることができない。
【００３６】
本実施形態のレーザ加工装置１のシールドガスノズル６は、ノズル開口部５０が、円形状よりも開口面積の広い楕円形状であるため、シールドガス３０の噴射量を高めるとき、従来のレーザ加工装置６０の従来のシールドガスノズル６１から噴射するシールドガス３０の流速よりも低い流速でシールドガス３０の噴射量を高めることができる。この結果、図７（a）のように、シールドガス３０に周囲の酸素３２が巻き込まれることを防ぎつつ、大量のシールドガス３０をレーザ照射部４１に向けて噴射することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態のレーザ加工装置１のシールドガスノズル６は、シールドガスノズル６の長手方向の断面積が、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射方向に従って大きくなる形状としているため、シールドガス３０を噴射したときに、シールドガスノズル６の側面に沿った酸素３２の流れを抑えることができ、よりシールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減することができる。
【００３８】
（効果）
本発明の実施形態によれば、鉛直方向に縦長な楕円形状のノズル開口部５０が形成されたシールドガスノズル６によって、レーザ照射部４１の鉛直上方にシールドガス３０を噴射することによって、レーザ加工で発生するプルーム２２を効果的にレーザ照射部１０１の上方から押し流すことができ、かつシールドガスノズル６のノズル開口部５０の開口面積が大きいため、シールドガスノズル６に酸素が巻き込まれることを防ぎ、最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【００３９】
（実施形態の第１の変形例）
以下、本発明の実施形態の第１の変形例について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のシールドガスノズルのノズル開口部の変形例を示し、(a)は長円形状の例を示す縦断面図、(ｂ)は長円形状の外枠内に円形状のノズルを縦に２つ設けた例を示す縦断面図、(ｃ)は長円形状の外枠内に複数のスリットを縦方向に並べた例を示す縦断面図、(ｄ)は長方形形状を示す縦断面図である。図２(a)、図２(ｄ)に示すように、シールドガスノズル６のノズル開口部５０は、レーザ照射部４１から眺めたときに、ノズル開口部５０の鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であれば、楕円形状以外の形状でも、上述した実施形態と同様の作用を発揮する。
【００４０】
また、図３(ｂ)では、外枠５１の中に円形ノズル５２を鉛直方向に２つ納めてノズル開口部５０としており、図３(ｃ)では、外枠５１の中に複数のスリット５３を鉛直方向に納めてノズル開口部５０としている。この場合、外枠５１を省いて、複数の円形ノズル５１やスリット５３を鉛直方向に並べることによってノズル開口部５０を構成してもよい。
【００４１】
さらに、図３(ｂ)に示すように、外枠５１の中に円形ノズル５２を鉛直方向に２つ納めてノズル開口部５０としたとき、下方に設けられる円形ノズル５２の先端をレーザ照射部４１に向け、上方に設けられる円形ノズル５２の先端をレーザ照射部４１の鉛直上方に向ける構成としてもよい。このとき、下方の円形ノズル５２に、レーザ照射部４１を最適な加工雰囲気とする働きを持たせ、上方の円形ノズル５２に、主にプルーム２２を押し流す働きを持たせることができる。
【００４２】
（効果）
実施形態の第１の変形例によれば、シールドガスノズル６のノズル開口部５０を、ノズル開口部５０の鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状とすることによって、レーザ加工によって発生するプルーム２２を効果的にレーザ照射部４１の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【００４３】
（実施形態の第２の変形例）
以下、本発明の実施形態の第２の変形例について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の上部カバーを設けた変形例を示す概略図である。なお、図４において図１と同一部分には同一符号を付し、その構成の説明は省略する。図４においては、図１に示したレーザ加工装置１に、さらに平板上の上部カバー７０を加工材料４０と平行に離間して設ける構成とする。上部カバー６０には、レーザ光２０が通過するためのレーザ孔７１と、シールドガスノズル６のノズル開口部５０および吸引ノズル８のノズル先端を上部カバー７０より下の加工材料４０側へ露出させるための貫通孔７２が設けられる構成とする。
【００４４】
レーザ加工装置１は、上部カバー７０によって、レーザ光２０をレーザ孔７１から通過させ、シールドガスノズル６のノズル開口部５０および吸引ノズル８のノズル先端を上部カバー７０より下の加工材料４０側へ貫通孔７２から露出させてレーザ加工を行う。このとき、上部カバー７０より上側に存在する酸素３２は、上部カバー７０によって遮られるため、シールドガス３０の流速を早めたときに、シールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減することができる。
【００４５】
さらに、プルーム２２のうち一部が、吸引ノズル８によって吸引空気３１として吸引されなかったとき、上部カバー７０が設けられないと、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２は、加工材料４０の上方へ対流し、レーザ光２０の強度を弱め、またはレーザ光２０を屈折させる原因となる。しかしながら、上部カバー７０を設けると、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２を上部カバー７０の下側に留めることができるため、プルーム２２が加工材料４０の上方へ対流することを防ぐことができる。
【００４６】
（効果）
実施形態の第２の変形例によれば、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射による酸素３２の巻き込みを低減し、さらに、シールドガス３０およびプルーム２２を上部カバー７０の下側へ留めることによって、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２が加工材料４０の上方へ対流することを防ぐことができる。
【００４７】
（実施形態の第３の変形例）
以下、本発明の実施形態の第３の変形例について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置に酸素濃度測定器を設けた変形例を示す概略図である。なお、図５において図１と同一部分には同一符号を付し、その構成の説明は省略する。図５においては、図１に示したレーザ加工装置１に、さらにレーザ照射部４１付近に酸素濃度を測定することができる酸素濃度測定器７３を配置する構成とする。ここで、酸素濃度測定器７３が設けられる位置におけるレーザ加工に最適な酸素濃度をあらかじめ求めておくものとする。
【００４８】
この構成において、酸素濃度測定器７３がレーザ加工に最適な酸素濃度を超過したことを感知したとき、シールドガス供給装置７のシールドガス３０の供給量を増やして、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射量を増やし、レーザ照射部４１付近の酸素濃度を低下させる。ここで、酸素濃度測定器７３を設ける位置をさらに吸引ノズル８の近傍とすれば、レーザ加工後のシールドガス３０中の酸素濃度を測定することができる。
【００４９】
さらに、上述した構成に加え、シールドガスノズル６のノズル開口部５０近傍にも酸素濃度測定器７４を設けることによって、シールドガスノズル６からのシールドガス３０の噴射によるシールドガス３０への酸素３２の巻き込みを監視させてもよい。このとき、酸素濃度測定器７４がシールドガスノズル６のノズル開口部５０近傍の酸素濃度の上昇を感知したとき、シールドガス供給装置７のシールドガス３０の供給量を減らして、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射量を減らすことによって、シールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減させる。
【００５０】
（効果）
実施形態の第３の変形例によれば、酸素濃度測定器７３によって、レーザ照射部４１付近の酸素濃度を監視することによって、レーザ加工に最適な酸素濃度においてレーザ加工を行うことができる。
【００５１】
なお、本発明の実施形態は上述した実施形態に限られないことは言うまでもない。例えば、レーザ光２０のスポット径や、シールドガスノズル６のノズル開口部５０の短径および長径の大きさは、レーザ加工の目的、加工材料４０の種類、加工スピード等によって適宜変更されうるものである。さらに、レーザ光源２と集光レンズ３は、レーザ光源２で発生したレーザ光２０を集光レンズ３に導くように直接接続するだけでなく、光ファイバー等を介して接続してもよい。
【００５２】
さらに、シールドガス３０は、加工材料４０に噴射すると、加工材料４０表面に沿って拡散する働きがある。したがって、シールドガス３０の加工材料４０表面の拡散によって高温部位４３を保護できる場合は、シールドガス３０は、高温部位４３全体に噴射するだけでなく、レーザ照射部４１のみや高温部位４３の一部に照射してもよい。
【００５３】
また、加工方向４４の向きは、吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向だけでなく、他の方向でも適用可能であるし、レーザ加工装置１によって、スポット溶接や穴あけ加工を行うときなどは、レーザ光２０を照射させながら加工方向４４へレーザ照射部４１を移動させる必要はない。
【００５４】
また、スライドテーブルやターンテーブルによって加工方向４４と逆方向に加工材料４０を異動させてレーザ加工を行うだけでなく、レーザ加工装置１を加工材料４０からレーザ加工に最適な距離を離間させて水平移動させることができるアーム等の駆動装置にレーザ加工装置１を接続し、加工方向４４へ水平移動させれば、加工材料４０を移動させずにレーザ加工を行うことが可能である。ここで、加工材料４０に勾配があるときなどは、集光レンズ３に、最適なスポット径を保ってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射できるように、内部のレンズの焦点を可変させることができる機能を持たせてもよい。
【００５５】
また、加工方向４４へレーザ加工を行うとき、レーザ光２０によるキーホール４２は加工方向４４に沿って生成される。ここで、キーホール４２はレーザ光２０が通り過ぎた後も一定時間、高温状態となっているため、キーホール４２およびその周辺部からなる高温部位４３は、加工方向４４に沿って縦長形状に形成される。したがって、加工方向４４を吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向とし、さらにシールドガスノズル６のノズル開口部５０の長径方向を加工方向４４に一致させてシールドガス３０を噴射させることにより、加工方向４４に沿った縦長形状の高温部位４３へのシールドガス３０の噴射が可能となる。
【００５６】
また、プルーム２２を吸引ノズル８によって、または吸引ノズル８および追加して設けた空調設備によって、プルーム２２の集光レンズ３への付着がレーザ加工に影響しない程度にまでプルーム２２を回収できるとき、若しくは、集光レンズ３のレーザ光２０の照射面を透明なカバー等で保護することができるときは、ジェットガスノズル４およびジェットガス供給装置５を省く構成とすることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・レーザ加工装置
２・・・レーザ光源
３・・・ 集光レンズ
４・・・ジェットガスノズル
５・・・ジェットガス供給装置
６・・・シールドガスノズル
７・・・シールドガス供給装置
８・・・吸引ノズル
９・・・吸引装置
２０・・・レーザ光
２１・・・ジェットガス
２２・・・プルーム
３０・・・シールドガス
３１・・・吸引空気
３２・・・酸素
４０・・・加工材料
４１・・・レーザ照射部
４２・・・キーホール
４３・・・高温部位
４４・・・加工方向
５０・・・ノズル開口部
５１・・・外枠
５２・・・円形ノズル
５３・・・スリット
６０・・・従来のレーザ溶接装置
６１・・・従来のシールドガスノズル
６２・・・従来のノズル開口部
７０・・・上部カバー
７１・・・レーザ孔
７２・・・貫通孔
７３、７４・・・酸素濃度測定器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスをレーザ照射部に噴射してレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は、レーザ光源において発生させたレーザ光を集光レンズで集光して加工材料に照射し、加工材料を加熱、溶融させて切削や溶接を行う方法である。レーザ加工では、集光されたレーザ光が高いエネルギー密度で加工材料に照射されるため、加工材料のレーザ照射部は、加工材料の沸点まで加熱されて蒸発が起こり、その反発力によってキーホールと呼ばれる空洞を形成して、深い溶け込み深さの加工が行われる。
【０００３】
このとき、加工材料の蒸発によって金属蒸気であるプルームが発生するが、プルームがレーザ加工装置のレーザ光源や集光レンズに付着すると、レーザ光源や集光レンズを損傷させ、または機能を低下させる可能性がある。したがって、通常、レーザ加工装置においては、集光レンズから照射されたレーザ光を横切るようにジェットガスを供給して、プルームがレーザ光源や集光レンズに付着することを防いでいる。さらに、レーザ光の照射によって生じる熱による加工材料の酸化を防ぐために、レーザ照射部にシールドガスを噴射し、レーザ照射部を大気から保護している。
【０００４】
ここで、レーザ照射部から発生したプルームは、熱対流によりレーザ照射部から鉛直上方向に立ち上る。レーザ光が鉛直上方向に立ち上るプルーム内を通過すると、プルームにレーザ光が吸収され、またはプルームによってレーザ光が屈折し、レーザ加工の強度および精度を低下させる原因となる。
【０００５】
そこで、シールドガスを噴射するシールドガスノズルをレーザ照射部の斜め上方に設け、シールドガスをレーザ照射部に斜め上方から噴射することによって、レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを、シールドガスによってレーザ照射部を挟んでシールドガスノズルと反対側へ押し流し、さらに押し流したプルームを吸引ノズルによって吸引する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実用新案登録第３１４３４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術は、シールドガスノズルのノズル開口部の形状が、レーザ照射部およびその周辺部からなるレーザ加工によって高温となる部位をカバーしてシールドガスを噴射できる程度の大きさの円形状であるため、レーザ照射部の鉛直上方においてプルームに対して十分にシールドガスを噴射することができず、レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを十分に吸引ノズル側へ押し流すことができないという課題があった。
【０００８】
さらに、上述した特許文献１に記載の技術は、シールドガスノズルからシールドガスを大量に噴射するためには、シールドガスの流速を早める必要があるが、シールドガスの流速を早めると、シールドガスに大気中の酸素の巻き込みが起こり、最適な加工雰囲気においてレーザ加工ができないという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は、レーザ加工によって発生するプルームを効果的にレーザ照射部の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができるレーザ加工装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光を発生させるレーザ光源と、レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部にレーザ光を照射する集光レンズと、レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、ノズル開口部の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ照射部に向けてシールドガスを噴射するシールドガスノズルと、シールドガスノズルにシールドガスを供給するするシールドガス供給装置と、レーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側であって、レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、空気を吸引する吸引ノズルと、吸引ノズルに空気を吸引させる吸引装置とを備えることを特徴とする。
【００１１】
さらに、上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、レーザ光源からレーザ光を発生させ、集光レンズによって、レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部に照射する工程と、ノズル開口部が鉛直方向に楕円形状または長円形状であって、レーザ溶射部の斜め上方に設けられるシールドガスノズルによって、レーザ照射部に向けてシールドガスを噴射し、さらに、シールドガスによってレーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームをレーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側へ押し流す工程と、レーザ溶射部を挟んでシールドガスノズルと反対側に設けられた吸引ノズルによって、プルームを含有した空気を吸引する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、レーザ加工において、レーザ加工によって発生するプルームを効果的にレーザ照射部の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略図。
【図２】シールドガスによってプルームを押し流す働きを示し、（a）は、従来のレーザ加工装置における働きを示す概略図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における働きを示す概略図。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のシールドガスノズルのノズル開口部の変形例を示し、(a)は長円形状の例を示す縦断面図、(ｂ)は長円形状の外枠内に円形状のノズルを縦に２つ設けた例を示す縦断面図、(ｃ)は長円形状の外枠内に複数のスリットを縦方向に並べた例を示す縦断面図、(ｄ)は長方形形状を示す縦断面図。
【図４】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の上部カバーを設けた変形例を示す概略図。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の酸素濃度測定器を設けた変形例を示す概略図。
【図６】シールドガスノズルからのシールドガスの流れの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスの流れを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスの流れを示す解析図。
【図７】シールドガスへの酸素の巻き込みの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
（構成）
以下、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の概略図である。レーザ加工装置１は、レーザ光源２と、集光レンズ３と、ジェットガスノズル４と、ジェットガス供給装置５と、シールドガスノズル６と、シールドガス供給装置７と、吸引ノズル８と、吸引装置９とから構成される。
【００１６】
レーザ光源２は、YAGレーザ、CO2レーザ、エキシマレーザといった一般的なレーザ加工に用いられるレーザ光２０を発生させる装置である。レーザ光源２は、レーザ光源２が発生させたレーザ光２０を集光レンズ３に導くことができるように、レーザ光源２と集光レンズ３は接続される。
【００１７】
集光レンズ３は、加工材料４０におけるレーザ照射部４１に最適なスポット径をもってレーザ光２０を照射する光学機器である。ここで、最適なスポット径は、１０ｋＷ程度のレーザ光２０においては１ｍｍ程度である。
【００１８】
ジェットガス供給装置５は、ジェットガス２１として使用するガスを内部に内蔵する機器であり、ジェットガスノズル４にジェットガス２１を供給できるように、ジェットガス供給装置５とジェットガスノズル４は接続される。ここで、ジェットガス供給装置５は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じてジェットガスノズル４へのジェットガス２１の供給量を調整できるものとする。
【００１９】
ジェットガスノズル４は、ノズル先端からジェットガス２１を噴射する機器であり、ジェットガス２１が集光レンズ３から照射されたレーザ光２０を横切り、ジェットガス２１によって集光レンズ３が加工材料４０側から眺めたときに露出しないようにジェットガス２１を噴射できるように、ジェットガスノズル４は集光レンズ３の近傍に配置される。
【００２０】
シールドガス供給装置７は、シールドガス３０を内部に内蔵する機器であり、シールドガスノズル６にシールドガス３０を供給できるように、シールドガス供給装置７とシールドガスノズル６は接続される。ここで、シールドガス供給装置７は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じてシールドノズル６へのシールドガス３０の供給量を調整できるものとする。
【００２１】
次に、シールドガスノズル６について説明する。シールドガスノズル６は、ノズル開口部５０からシールドガス３０を噴射する機器である。図１のように、シールドガスノズル６は、ノズル開口部５０をレーザ照射部４１に向けて、レーザ照射部４１の斜め上方に配置される。
【００２２】
シールドガスノズル６の長手方向の断面積は、シールドガス３０の噴射方向に従って大きくなっており、さらにノズル開口部５０の形状は、鉛直方向に縦長な楕円形状である。ここで、レーザ加工装置１によるレーザ加工においては、レーザ照射部４１においてレーザ光２０のスポット径と同程度の大きさのキーホール４２が形成されて加工が行われる。さらに、キーホール４２の周辺部もキーホール４２からの伝熱によって高温状態となる。したがって、キーホール４２ならびにその周辺部からなる高温部位４３の酸化を防ぐためにシールドガス３０の噴射による保護が必要である。したがって、ノズル開口部５０の楕円形状の短径は、高温部位４３をカバーしてシールドガス３０を噴射できる長さである１０ｍｍ程度とし、ノズル開口部５０の楕円形状の長径は、短径の２倍の２０ｍｍ程度長さとする。
【００２３】
吸引装置９は、ファンやポンプによって空気を吸引する機器であり、吸引ノズル８のノズル先端から空気を吸引できるように、吸引装置９と吸引ノズル８は接続される。ここで、吸引装置９は、レーザ光２０の強度や加工材料４０の種類に応じて空気の吸引量を調整できるものとする。吸引ノズル８は、レーザ照射部４１を挟んで、シールドガスノズル６と反対側において、ノズル先端を斜め下方のレーザ照射部４１側へ向けて、レーザ照射部４１の斜め上方に配置される。
【００２４】
（作用）
以下、本発明の実施形態の作用について説明する。レーザ加工装置１によるレーザ加工時においては、上述した構成のレーザ加工装置１は、加工材料４０上において、集光レンズ３が最適なスポット径をもってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射できる距離を離間させて配置される。加工材料４０は、スライドテーブルやターンテーブルによって加工方向４４と逆方向に移動させられ、レーザ加工装置１は、加工材料４０上のレーザ照射部４１を加工方向４４に移動させながらレーザ加工を行う。ここで、加工方向４４は、吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向に定めるものとする。
【００２５】
レーザ加工において、レーザ光源２はレーザ光２０を発生させ、集光レンズ３はレーザ光２０を集光させ、最適なスポット径をもってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射する。さらに、ジェットガスノズル４は、集光レンズ３から照射されたレーザ光２０を横切るようにジェットガス２１を噴射する。また、シールドガスノズル６は、レーザ照射部４１にシールドガス３０を噴射する。
【００２６】
レーザ照射部４１へのレーザ光２０の照射によって、加工材料４０のレーザ照射部４１は、加工材料４０の沸点まで加熱されて蒸発が起こり、その反発力によってキーホール４２を形成して、深い溶け込み深さの加工が行われる。このとき、加工材料４０の蒸発によって金属蒸気であるプルーム２２が発生する。
【００２７】
プルーム２２は、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るように発生する。このとき、シールドガスノズル６によって、斜め上方からレーザ照射部４１に向けてシールドガス３０が噴射されているが、本実施形態におけるシールドガス３０には、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るプルーム２２を吸引ノズル８が配置されている側へ押し流す働きと、レーザ照射部４１付近をレーザ加工に最適な加工雰囲気とする働きがある。
【００２８】
まず、シールドガス３０による、レーザ照射部４１から鉛直上方向に立ち上るプルーム２２を吸引ノズル８が配置されている側へ押し流す働きについて説明する。以下に、従来のレーザ加工装置６０と本実施形態におけるレーザ加工装置１のプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す働きの比較を説明する。図２は、シールドガスによってプルームを押し流す働きを示し、（a）は、従来のレーザ加工装置における働きを示す概略図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置における働きを示す概略図である。図２（a）において、従来のレーザ加工装置６０の構成で、本実施形態のレーザ加工装置１と同一の構成については同一の符号を付し、同一の構成については説明を省略する。さらに、図６は、シールドガスノズルからのシールドガスの流れの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスの流れを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスの流れを示す解析図である。
【００２９】
まず、従来のレーザ加工装置６０におけるシールドガス３０によってプルーム２２を押し流す働きについて説明する。図２（a）に示す、従来のレーザ溶接装置６０における従来のシールドガスノズル６１の従来のノズル開口部６２の形状は、高温部位４３をカバーしてシールドガス３０を噴射できる長さである直径１０ｍｍ程度の円形状である。したがって、図６（a）のように、シールドガス３０が従来のノズル開口部６２からレーザ照射部４１に向けて噴射される過程において、レーザ照射部４１の鉛直上方においてシールドガス３０がプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す領域は小さく、プルーム２２を十分に吸引ノズル８側へ押し流すことができない。
【００３０】
これに対し、図２（ｂ）に示す、本実施形態におけるレーザ加工装置１は、シールドガスノズル６のノズル開口部５０の形状は、長径が短径の２倍程度の長さの鉛直方向に縦長な楕円形状であるため、図６（ｂ）のように、レーザ照射部４１の鉛直上方においてシールドガス３０がプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流す領域は大きく、プルーム２２を効果的に吸引ノズル８側へ押し流すことができる。
【００３１】
シールドガス３０によって吸引ノズル８側へ押し流されたプルーム２２は、シールドガス３０とともに吸引空気３１として吸引ノズル８に吸引される。ここで、できるだけ遅いシールドガス３０の流速によって吸引ノズル８側へ押し流されたプルーム２２を吸引ノズル８によって吸引空気３１として吸引するために、吸引ノズル８のノズル先端をシールドガスノズル６のノズル開口部５０の中心よりも上方に配置し、押し流されたプルーム２２を吸引ノズル８によって上方から吸い取るようにすることが望ましい。
【００３２】
ここで、吸引ノズル８に吸引されなかったプルーム２２は、上方の集光レンズ３へ立ち上るが、集光レンズ３は、ジェットガス２１によって保護されているため、プルーム２２が集光レンズ３に付着することが防止される。
【００３３】
次に、シールドガス３０による、レーザ照射部４１付近をレーザ加工に最適な加工雰囲気とする働きについて説明する。レーザ加工装置１によって、加工材料の切断や突合せ溶接などを行うときには、レーザ光２０の強度を高めるとともに、レーザ照射部４１付近において最適な加工雰囲気を作り出し、かつレーザ加工によって生じるプルーム２２を吸引ノズル８側へ押し流すために、シールドガス３０の噴射量を高める必要がある。
【００３４】
図７は、シールドガスへの酸素の巻き込みの解析結果を示し、（a）は、従来のレーザ加工装置におけるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるるシールドガスへの酸素の巻き込みを示す解析図である。
【００３５】
ここで、従来のレーザ加工装置６０における従来のシールドガスノズル６１の従来のノズル開口部６２は、直径１０ｍｍ程度の円形状であるため、シールドガス３０の噴射量を高めるためには、従来のシールドガスノズル６１から噴射するシールドガス３０の流速を早める必要がある。しかしながら、シールドガス３０の流速を早くすると、図７（a）のように、シールドガス３０に周囲の酸素３２が巻き込まれ、逆にレーザ加工に最適な加工雰囲気とすることができない。
【００３６】
本実施形態のレーザ加工装置１のシールドガスノズル６は、ノズル開口部５０が、円形状よりも開口面積の広い楕円形状であるため、シールドガス３０の噴射量を高めるとき、従来のレーザ加工装置６０の従来のシールドガスノズル６１から噴射するシールドガス３０の流速よりも低い流速でシールドガス３０の噴射量を高めることができる。この結果、図７（a）のように、シールドガス３０に周囲の酸素３２が巻き込まれることを防ぎつつ、大量のシールドガス３０をレーザ照射部４１に向けて噴射することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態のレーザ加工装置１のシールドガスノズル６は、シールドガスノズル６の長手方向の断面積が、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射方向に従って大きくなる形状としているため、シールドガス３０を噴射したときに、シールドガスノズル６の側面に沿った酸素３２の流れを抑えることができ、よりシールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減することができる。
【００３８】
（効果）
本発明の実施形態によれば、鉛直方向に縦長な楕円形状のノズル開口部５０が形成されたシールドガスノズル６によって、レーザ照射部４１の鉛直上方にシールドガス３０を噴射することによって、レーザ加工で発生するプルーム２２を効果的にレーザ照射部１０１の上方から押し流すことができ、かつシールドガスノズル６のノズル開口部５０の開口面積が大きいため、シールドガスノズル６に酸素が巻き込まれることを防ぎ、最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【００３９】
（実施形態の第１の変形例）
以下、本発明の実施形態の第１の変形例について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置のシールドガスノズルのノズル開口部の変形例を示し、(a)は長円形状の例を示す縦断面図、(ｂ)は長円形状の外枠内に円形状のノズルを縦に２つ設けた例を示す縦断面図、(ｃ)は長円形状の外枠内に複数のスリットを縦方向に並べた例を示す縦断面図、(ｄ)は長方形形状を示す縦断面図である。図２(a)、図２(ｄ)に示すように、シールドガスノズル６のノズル開口部５０は、レーザ照射部４１から眺めたときに、ノズル開口部５０の鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であれば、楕円形状以外の形状でも、上述した実施形態と同様の作用を発揮する。
【００４０】
また、図３(ｂ)では、外枠５１の中に円形ノズル５２を鉛直方向に２つ納めてノズル開口部５０としており、図３(ｃ)では、外枠５１の中に複数のスリット５３を鉛直方向に納めてノズル開口部５０としている。この場合、外枠５１を省いて、複数の円形ノズル５１やスリット５３を鉛直方向に並べることによってノズル開口部５０を構成してもよい。
【００４１】
さらに、図３(ｂ)に示すように、外枠５１の中に円形ノズル５２を鉛直方向に２つ納めてノズル開口部５０としたとき、下方に設けられる円形ノズル５２の先端をレーザ照射部４１に向け、上方に設けられる円形ノズル５２の先端をレーザ照射部４１の鉛直上方に向ける構成としてもよい。このとき、下方の円形ノズル５２に、レーザ照射部４１を最適な加工雰囲気とする働きを持たせ、上方の円形ノズル５２に、主にプルーム２２を押し流す働きを持たせることができる。
【００４２】
（効果）
実施形態の第１の変形例によれば、シールドガスノズル６のノズル開口部５０を、ノズル開口部５０の鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状とすることによって、レーザ加工によって発生するプルーム２２を効果的にレーザ照射部４１の鉛直上方から押し流し、かつ最適な加工雰囲気においてレーザ加工を行うことができる。
【００４３】
（実施形態の第２の変形例）
以下、本発明の実施形態の第２の変形例について説明する。図４は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の上部カバーを設けた変形例を示す概略図である。なお、図４において図１と同一部分には同一符号を付し、その構成の説明は省略する。図４においては、図１に示したレーザ加工装置１に、さらに平板上の上部カバー７０を加工材料４０と平行に離間して設ける構成とする。上部カバー６０には、レーザ光２０が通過するためのレーザ孔７１と、シールドガスノズル６のノズル開口部５０および吸引ノズル８のノズル先端を上部カバー７０より下の加工材料４０側へ露出させるための貫通孔７２が設けられる構成とする。
【００４４】
レーザ加工装置１は、上部カバー７０によって、レーザ光２０をレーザ孔７１から通過させ、シールドガスノズル６のノズル開口部５０および吸引ノズル８のノズル先端を上部カバー７０より下の加工材料４０側へ貫通孔７２から露出させてレーザ加工を行う。このとき、上部カバー７０より上側に存在する酸素３２は、上部カバー７０によって遮られるため、シールドガス３０の流速を早めたときに、シールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減することができる。
【００４５】
さらに、プルーム２２のうち一部が、吸引ノズル８によって吸引空気３１として吸引されなかったとき、上部カバー７０が設けられないと、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２は、加工材料４０の上方へ対流し、レーザ光２０の強度を弱め、またはレーザ光２０を屈折させる原因となる。しかしながら、上部カバー７０を設けると、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２を上部カバー７０の下側に留めることができるため、プルーム２２が加工材料４０の上方へ対流することを防ぐことができる。
【００４６】
（効果）
実施形態の第２の変形例によれば、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射による酸素３２の巻き込みを低減し、さらに、シールドガス３０およびプルーム２２を上部カバー７０の下側へ留めることによって、吸引ノズル８によって吸引されなかったプルーム２２が加工材料４０の上方へ対流することを防ぐことができる。
【００４７】
（実施形態の第３の変形例）
以下、本発明の実施形態の第３の変形例について説明する。図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置に酸素濃度測定器を設けた変形例を示す概略図である。なお、図５において図１と同一部分には同一符号を付し、その構成の説明は省略する。図５においては、図１に示したレーザ加工装置１に、さらにレーザ照射部４１付近に酸素濃度を測定することができる酸素濃度測定器７３を配置する構成とする。ここで、酸素濃度測定器７３が設けられる位置におけるレーザ加工に最適な酸素濃度をあらかじめ求めておくものとする。
【００４８】
この構成において、酸素濃度測定器７３がレーザ加工に最適な酸素濃度を超過したことを感知したとき、シールドガス供給装置７のシールドガス３０の供給量を増やして、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射量を増やし、レーザ照射部４１付近の酸素濃度を低下させる。ここで、酸素濃度測定器７３を設ける位置をさらに吸引ノズル８の近傍とすれば、レーザ加工後のシールドガス３０中の酸素濃度を測定することができる。
【００４９】
さらに、上述した構成に加え、シールドガスノズル６のノズル開口部５０近傍にも酸素濃度測定器７４を設けることによって、シールドガスノズル６からのシールドガス３０の噴射によるシールドガス３０への酸素３２の巻き込みを監視させてもよい。このとき、酸素濃度測定器７４がシールドガスノズル６のノズル開口部５０近傍の酸素濃度の上昇を感知したとき、シールドガス供給装置７のシールドガス３０の供給量を減らして、シールドガスノズル６のシールドガス３０の噴射量を減らすことによって、シールドガス３０への酸素３２の巻き込みを低減させる。
【００５０】
（効果）
実施形態の第３の変形例によれば、酸素濃度測定器７３によって、レーザ照射部４１付近の酸素濃度を監視することによって、レーザ加工に最適な酸素濃度においてレーザ加工を行うことができる。
【００５１】
なお、本発明の実施形態は上述した実施形態に限られないことは言うまでもない。例えば、レーザ光２０のスポット径や、シールドガスノズル６のノズル開口部５０の短径および長径の大きさは、レーザ加工の目的、加工材料４０の種類、加工スピード等によって適宜変更されうるものである。さらに、レーザ光源２と集光レンズ３は、レーザ光源２で発生したレーザ光２０を集光レンズ３に導くように直接接続するだけでなく、光ファイバー等を介して接続してもよい。
【００５２】
さらに、シールドガス３０は、加工材料４０に噴射すると、加工材料４０表面に沿って拡散する働きがある。したがって、シールドガス３０の加工材料４０表面の拡散によって高温部位４３を保護できる場合は、シールドガス３０は、高温部位４３全体に噴射するだけでなく、レーザ照射部４１のみや高温部位４３の一部に照射してもよい。
【００５３】
また、加工方向４４の向きは、吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向だけでなく、他の方向でも適用可能であるし、レーザ加工装置１によって、スポット溶接や穴あけ加工を行うときなどは、レーザ光２０を照射させながら加工方向４４へレーザ照射部４１を移動させる必要はない。
【００５４】
また、スライドテーブルやターンテーブルによって加工方向４４と逆方向に加工材料４０を異動させてレーザ加工を行うだけでなく、レーザ加工装置１を加工材料４０からレーザ加工に最適な距離を離間させて水平移動させることができるアーム等の駆動装置にレーザ加工装置１を接続し、加工方向４４へ水平移動させれば、加工材料４０を移動させずにレーザ加工を行うことが可能である。ここで、加工材料４０に勾配があるときなどは、集光レンズ３に、最適なスポット径を保ってレーザ照射部４１にレーザ光２０を照射できるように、内部のレンズの焦点を可変させることができる機能を持たせてもよい。
【００５５】
また、加工方向４４へレーザ加工を行うとき、レーザ光２０によるキーホール４２は加工方向４４に沿って生成される。ここで、キーホール４２はレーザ光２０が通り過ぎた後も一定時間、高温状態となっているため、キーホール４２およびその周辺部からなる高温部位４３は、加工方向４４に沿って縦長形状に形成される。したがって、加工方向４４を吸引ノズル８からシールドガスノズル６へ向かう方向とし、さらにシールドガスノズル６のノズル開口部５０の長径方向を加工方向４４に一致させてシールドガス３０を噴射させることにより、加工方向４４に沿った縦長形状の高温部位４３へのシールドガス３０の噴射が可能となる。
【００５６】
また、プルーム２２を吸引ノズル８によって、または吸引ノズル８および追加して設けた空調設備によって、プルーム２２の集光レンズ３への付着がレーザ加工に影響しない程度にまでプルーム２２を回収できるとき、若しくは、集光レンズ３のレーザ光２０の照射面を透明なカバー等で保護することができるときは、ジェットガスノズル４およびジェットガス供給装置５を省く構成とすることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・レーザ加工装置
２・・・レーザ光源
３・・・ 集光レンズ
４・・・ジェットガスノズル
５・・・ジェットガス供給装置
６・・・シールドガスノズル
７・・・シールドガス供給装置
８・・・吸引ノズル
９・・・吸引装置
２０・・・レーザ光
２１・・・ジェットガス
２２・・・プルーム
３０・・・シールドガス
３１・・・吸引空気
３２・・・酸素
４０・・・加工材料
４１・・・レーザ照射部
４２・・・キーホール
４３・・・高温部位
４４・・・加工方向
５０・・・ノズル開口部
５１・・・外枠
５２・・・円形ノズル
５３・・・スリット
６０・・・従来のレーザ溶接装置
６１・・・従来のシールドガスノズル
６２・・・従来のノズル開口部
７０・・・上部カバー
７１・・・レーザ孔
７２・・・貫通孔
７３、７４・・・酸素濃度測定器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源から発生した前記レーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部に前記レーザ光を照射する集光レンズと、
前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、ノズル開口部の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ照射部に向けて前記シールドガスを噴射するシールドガスノズルと、
前記シールドガスノズルに前記シールドガスを供給するするシールドガス供給装置と、
前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側であって、前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられる吸引ノズルと、
前記吸引ノズルに空気を吸引させる吸引装置とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記シールドガスノズルの前記ノズル開口部は、鉛直方向に縦長な楕円形状または長円形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記シールドガスノズルの前記ノズル開口部は、２つの円形ノズルを鉛直方向に並べた形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
２つの前記円形ノズルのうち、下方に設けられた前記円形ノズルの先端は、前記レーザ照射部へ向けられ、上方に設けられた前記円形ノズルの先端は、前記レーザ照射部の鉛直上方へ向けられることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記シールドガスノズルは、前記シールドガスの噴射方向に従って長手方向の断面積が大きくなる形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光レンズから照射された前記レーザ光を横切って前記ジェットガスを噴射するジェットガスノズルと、
前記ジェットガスノズルに前記ジェットガスを供給するするジェットガス供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記吸引ノズルのノズル先端は、前記シールドガスノズルのノズル開口部の中心よりも上方に取り付けられることを特徴とする請求項１または請求項１乃至請求項６に何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記加工材料から平行に離間して設けられる平板であって、前記集光レンズから照射される前記レーザ光を通過させるレーザ孔および前記シールドガスノズルおよび前記吸引ノズルを前記平板より下側へ露出させることができる貫通孔を備える上部カバーをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ照射部周辺に設けられ、前記レーザ照射部周辺の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器をさらに備え、
この酸素濃度測定器によって所定の値を上回る酸素濃度が測定されたときに、前記シールドガスノズルによる前記シールドガスの噴射量を増やして、前記レーザ照射部周辺の酸素濃度を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記シールドガスノズルの前記開口部近傍に設けられ、前記シールドガスノズルの前記開口部近傍の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器をさらに備え、
この酸素濃度測定器によって所定の値を上回る酸素濃度が測定されたときに、前記シールドガスノズルによる前記シールドガスの噴射量を減らして、前記シールドガスノズルの前記開口部近傍の酸素濃度を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
レーザ光源からレーザ光を発生させ、集光レンズによって、前記レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、レーザ加工に最適なスポット径をもって加工材料のレーザ溶射部に向けて照射する工程と、
ノズル開口部が鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられるシールドガスノズルによって、前記レーザ照射部に向けて前記シールドガスを噴射し、前記シールドガスによって前記レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側へ押し流す工程と、
前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側に設けられた吸引ノズルによって、プルームを含有した空気を吸引する工程とを備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
レーザ加工の加工方向を前記吸引ノズルから前記シールドガスノズルへ向かう方向とし、前記シールドガスノズルの鉛直方向をレーザ加工の加工方向に一致させ、前記加工方向に沿って縦長に形成される、レーザ加工により高温となる高温部位に前記シールドガスを噴射することを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
【請求項１】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光源から発生した前記レーザ光を集光し、加工材料のレーザ溶射部に前記レーザ光を照射する集光レンズと、
前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられ、ノズル開口部の形状は、鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ照射部に向けて前記シールドガスを噴射するシールドガスノズルと、
前記シールドガスノズルに前記シールドガスを供給するするシールドガス供給装置と、
前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側であって、前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられる吸引ノズルと、
前記吸引ノズルに空気を吸引させる吸引装置とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記シールドガスノズルの前記ノズル開口部は、鉛直方向に縦長な楕円形状または長円形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記シールドガスノズルの前記ノズル開口部は、２つの円形ノズルを鉛直方向に並べた形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
２つの前記円形ノズルのうち、下方に設けられた前記円形ノズルの先端は、前記レーザ照射部へ向けられ、上方に設けられた前記円形ノズルの先端は、前記レーザ照射部の鉛直上方へ向けられることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記シールドガスノズルは、前記シールドガスの噴射方向に従って長手方向の断面積が大きくなる形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記集光レンズから照射された前記レーザ光を横切って前記ジェットガスを噴射するジェットガスノズルと、
前記ジェットガスノズルに前記ジェットガスを供給するするジェットガス供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記吸引ノズルのノズル先端は、前記シールドガスノズルのノズル開口部の中心よりも上方に取り付けられることを特徴とする請求項１または請求項１乃至請求項６に何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記加工材料から平行に離間して設けられる平板であって、前記集光レンズから照射される前記レーザ光を通過させるレーザ孔および前記シールドガスノズルおよび前記吸引ノズルを前記平板より下側へ露出させることができる貫通孔を備える上部カバーをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記レーザ照射部周辺に設けられ、前記レーザ照射部周辺の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器をさらに備え、
この酸素濃度測定器によって所定の値を上回る酸素濃度が測定されたときに、前記シールドガスノズルによる前記シールドガスの噴射量を増やして、前記レーザ照射部周辺の酸素濃度を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記シールドガスノズルの前記開口部近傍に設けられ、前記シールドガスノズルの前記開口部近傍の酸素濃度を測定する酸素濃度測定器をさらに備え、
この酸素濃度測定器によって所定の値を上回る酸素濃度が測定されたときに、前記シールドガスノズルによる前記シールドガスの噴射量を減らして、前記シールドガスノズルの前記開口部近傍の酸素濃度を低下させることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
レーザ光源からレーザ光を発生させ、集光レンズによって、前記レーザ光源から発生したレーザ光を集光し、レーザ加工に最適なスポット径をもって加工材料のレーザ溶射部に向けて照射する工程と、
ノズル開口部が鉛直方向の全長が、水平方向の全長よりも長い形状であって、前記レーザ溶射部の斜め上方に設けられるシールドガスノズルによって、前記レーザ照射部に向けて前記シールドガスを噴射し、前記シールドガスによって前記レーザ照射部から鉛直上方向に立ち上るプルームを前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側へ押し流す工程と、
前記レーザ溶射部を挟んで前記シールドガスノズルと反対側に設けられた吸引ノズルによって、プルームを含有した空気を吸引する工程とを備えることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項１２】
レーザ加工の加工方向を前記吸引ノズルから前記シールドガスノズルへ向かう方向とし、前記シールドガスノズルの鉛直方向をレーザ加工の加工方向に一致させ、前記加工方向に沿って縦長に形成される、レーザ加工により高温となる高温部位に前記シールドガスを噴射することを特徴とする請求項１１に記載のレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−９１１９８（Ｐ２０１２−９１１９８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４０１６６（Ｐ２０１０−２４０１６６）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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