レーザ加工装置
【課題】 施工対象物からの反射光によって装置が損傷することを抑制できるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光源と、レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、レーザ光源からのレーザ光をレーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、レーザ光の照射による被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、レーザ照射ヘッドと被加工物との間に介在するとともに、被加工物のレーザ光の照射部位の周囲を囲むようにレーザ照射ヘッドに配設され、かつ、レーザ照射ヘッドと被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体とを具備している。
【解決手段】 レーザ光源と、レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、レーザ光源からのレーザ光をレーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、レーザ光の照射による被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、レーザ照射ヘッドと被加工物との間に介在するとともに、被加工物のレーザ光の照射部位の周囲を囲むようにレーザ照射ヘッドに配設され、かつ、レーザ照射ヘッドと被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体とを具備している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をエネルギー源として用いる施工プロセスは、溶接、切断、表面材料改質、応力改善など多用途に利用されており、いずれにおいてもレーザ光をレンズなどの光学素子で集光するなどして施工対象物に対して空間的エネルギー密度を高めて照射されることで共通している。溶接、切断、表面材料改質など加熱プロセスの熱源としてレーザ光を用いる場合、照射されたレーザ光のエネルギーの何割かが材料に吸収されることによって施工対象となる材料がその表面から加熱・溶融し、所望の施工プロセスを実現する。材料表面でのレーザ光の吸収率はその材質、使用するレーザの波長、エネルギー密度、照射角度などに依存することから、目的とする施工プロセスにおいて適切な施工結果を得るために、これらのパラメータに応じて適宜照射するレーザ光源およびその出力を調整している。
【０００３】
材料に吸収されないレーザ光は、反射（もしくは散乱）されるが、そのエネルギーは材料に吸収されるレーザ光に比して２倍以上になる場合もある。高エネルギーの反射光がエンドエフェクターであるレーザ照射ヘッド内に戻ってきた場合、内部の光学素子を固定する金具などが加熱・損傷し、その結果として光学素子そのものにダメージが及ぶことがある。
【０００４】
また近年においてレーザ光伝送手段の主流となっている光ファイバーは非常に細く、また樹脂製のバッファ層や被覆層は熱に弱いため、反射光によるダメージに対しては無防備である。このため反射光による装置のダメージを予防するため、レーザ光を射出するためのレーザ照射ヘッドの鏡筒内の光路にピンホール状の部品を配置することによって光学系の有効径より外に反射光が入射しないよう対策する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、例えば、レーザ光の照射角度を傾斜させることによって反射光方向が射出するレーザ光の軸と一致しないように設置し、反射光をレーザ照射ヘッドの外に逃がすように対策する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１５５４８９号公報
【特許文献２】特開２０００−５６０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、ピンホール状の部品を光路に配置した場合、ピンホール径は部品公差や光学系の調整誤差のために余裕のある大きさにしなければビームを伝送する役割を果たさない。したがって光ファイバーの被覆材料や光学素子固定金具の損傷を完全に防止することはできない。
【０００８】
また、レーザ光の照射角度を傾斜させた場合、反射光はレーザ照射ヘッドに戻らず損傷リスクを下げることが可能である。しかし、レーザ光を射出するレーザ照射ヘッドの先端部と施工対象物との間には、施工対象面の凹凸や開先加工された形状に追従するためにある程度の距離を保った間隙が必要である。このため、レーザ照射ヘッドの内の導光路へ戻らなかった反射光は、ノズル等に遮られることなく周囲に漏洩し、例えば装置に付随する電線や不活性ガス供給チューブなどを損傷させる原因となる。特に装置を小型化した遠隔溶接装置のような応用例では機器が狭い空間に高密度に配置されており、損傷対策の必要な部品が多くなる。
【０００９】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、施工対象物からの反射光によって装置が損傷することを抑制できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態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、前記レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、前記レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、前記レーザ光源からの前記レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、前記レーザ光の照射による前記被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間に介在するとともに、前記被加工物の前記レーザ光の照射部位の周囲を囲むように前記レーザ照射ヘッドに配設され、かつ、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体とを具備したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図。
【図２】図１のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図３】図２のレーザ照射ヘッドの要部概略構成を拡大して示す図。
【図４】図２のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図５】図２のレーザ照射ヘッドの遮光ワイヤの構成を拡大して示す図。
【図６】第２実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図７】図６のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図８】第３実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図９】図８のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図１０】第４実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図。
【図１１】図１０のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図１２】図１０のレーザ加工装置の使用状態を説明するための図。
【図１３】変形例の要部構成を示す図。
【図１４】変形例の要部構成を示す図。
【図１５】溝形状の例を示す図。
【図１６】溝形状の例を示す図。
【図１７】変形例の要部構成を示す図。
【図１８】溝形状の例を示す図。
【図１９】溝形状の例を示す図。
【図２０】レーザ光の照射角度を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、レーザ加工装置の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１、図２は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図であり、このレーザ加工装置は、配管内面のクラッド溶接を遠隔で実施するのに好適なレーザ加工装置である。
【００１４】
図１に示すように、施工装置１００は、レーザ照射ヘッド１を搭載しており、配管８内に挿入され、固定機構１０５によって配管８内に固定される。施工装置１００は、レーザ照射ヘッド１を配管８の軸方向へ移動するためのＺ軸駆動装置１０１、周方向へ移動するためのθ軸駆動装置１０２、半径方向へ移動するためのＲ軸駆動装置１０３を搭載している。また、施工装置１００は、ψ軸駆動装置１０４を搭載している。このψ軸駆動装置１０４は、レーザ照射ヘッド１のレーザ照射角度ψ（チルト方向）を調整するための装置である。
【００１５】
各駆動装置は、電磁モータや超音波モータ、油圧モータなどのアクチュエータと、エンコーダやレゾルバ、リミットスイッチなどの回転／位置検出センサと、歯車やラック／ピニオン、プーリー、ベルトなどの動力伝達部品と、リニアガイドやベアリングなどの摺動・軸受け部品などによって構成されている。また、施工装置１００には、図示しないフィラーワイヤー供給機構が搭載されており、図示しないフィラーワイヤードラムからアクチュエータによってフィラーワイヤーが供給されるようになっている。これらのアクチュエータやセンサなどの電装品のために施工装置１００には制御電線６が接続されている。
【００１６】
レーザ照射ヘッド１には、レーザ光を伝送する光ファイバー５と、溶接時の酸化を防止するために溶融池２０１（図２参照。）近傍に吹きつける酸化防止ガスを供給するためのガス供給チューブ７が接続されている。光ファイバー５、制御電線６、ガス供給チューブ７は、配管８から離れたプラットホーム９上に設置したレーザ発振器２、ロボット制御盤３および酸化防止ガス供給装置４に接続されており、これによって遠隔でのクラッド溶接が可能となっている。
【００１７】
図２は、図１に示した第１実施形態におけるレーザ照射ヘッド１の概略構成を模式的に示すものである。図２に示すように、レーザ照射ヘッド１は、鏡筒２０を具備している。鏡筒２０の後端側（図２中上側）には、レーザ光を伝送する光ファイバー５が、取り付け／取り外しが容易なようにファイバーコネクター２３を介して接続されている。
【００１８】
鏡筒２０の先端側には、ノズル２２が配設されている。また、鏡筒２０内には、後端側から順に、コリメートレンズ２５、集光レンズ２６、ウインドウ２７が配設されている。ウインドウ２７は、溶融池２０１からのスパッタ等により、集光レンズ２６などの光学系が損傷することを防止するためのものである。
【００１９】
光ファイバー５から照射されるレーザ光は、コリメートレンズ２５によって平行光とされ、集光レンズ２６によって集光された後、ウインドウ２７、ノズル２２を通り、集光ビーム２０２として被施工面１０に照射される。被施工面１０と集光ビーム２０２が射出されるノズル２２との間には、一定の間隔が形成されるようになっており、これによって、被施工面１０の凹凸や開先加工された形状に追従できるようになっている。集光ビーム２０２はノズル２２内で焦点を結んだ後に被施工面１０に照射されることによって、ノズル２２内で焦点を結ばずに同じビーム径で被施工面１０に照射する場合に比べてノズル２２の内径を小さくすることができる。
【００２０】
鏡筒２０の側壁部分には、取り付け／取り外し自在のガスチューブコネクター２４を介して酸化防止ガスを供給するためのガス供給チューブ７が接続されている。ガス供給チューブ７から鏡筒２０内に供給された酸化防止ガスは、ノズル２２とウインドウ２７の取り付け部に設けられた酸化防止ガスのガス流路２８を通り、ノズル２２を通って被施工面１０の集光ビーム２０２の照射部位の近傍に供給される。
【００２１】
クラッド溶接においては、集光ビーム２０２が被施工面１０に照射されると配管８の材料が溶融して溶融池２０１となり、ここに図示しないフィラーワイヤーを供給して溶接肉盛りを形成する。この溶接肉盛りの酸化を防止するために酸化防止ガスがノズル２２から供給される。
【００２２】
ノズル２２の先端部分には、レーザ光を吸収する吸収材からなる板状の吸収板２１が取り付けられている。この吸収板２１としては、反射光２０５の吸収率を向上させるべく表面にコーティングを施したもの、例えば、タングステンカーバイドやシリコンカーバイドなどの耐熱セラミックスを溶射したもの等を使用することができる。
【００２３】
このように、吸収板２１を配設することによって、被施工面１０に照射されたレーザ光の反射光２０５をエネルギー密度の高い位置で吸収することにより、そのエネルギーの大部分を吸収することが可能となり、反射光２０５によるレーザ照射ヘッド１の内外の機器の損傷を防止することができる。なお、反射光２０５のエネルギーは、吸収板２１に吸収されて熱となる。このため熱を回収するための冷媒を循環させる冷媒流路などを吸収板２１に配設してもよい。
【００２４】
また、吸収板２１の周縁部には、遮光体３０が配設されている。この遮光体３０は、レーザ照射ヘッド１（吸収板２１）と被加工物の被施工面１０との間に介在するように配設されており、かつ、被加工物の被施工面１０のレーザ光の照射部位の周囲を囲むように配設されている。
【００２５】
また、遮光体３０は、レーザ照射ヘッド１と被加工物の被施工面１０との間の距離の変動に応じて変形可能とされている。被施工面１０からは反射光２０５が発生するのみでなく、金属が溶融した溶融池２０１の表面からの散乱光２０６も発生する。また吸収板２１に吸収されなかった反射光２０５のエネルギーが２重反射光２０７となる。遮光体３０は、これらのエネルギーを吸収し、外部に漏洩しないようにするために配設されている。このため、遮光体３０は、耐熱性を有する必要があり、金属、セラミックス、カーボン、金属繊維、セラミック繊維、カーボン繊維のいずれかから構成される。なお、図２において、２０３は、被施工面１０における施工部法線軸を示しており、ψ１は、この施工部法線軸２０３とビーム照射軸２０４とがなす角を示している。
【００２６】
図３〜５は、図２の遮光体３０の構成を拡大して示す図である。これらのうち図３はノズル２２より先端側を拡大して示す図である。図３に示すように、本第１実施形態における遮光体３０は、遮光ワイヤ５１から構成されている。
【００２７】
図４は、吸収板２１を底面側から見た状態を模式的に示す図である。図４に示すように、複数の遮光ワイヤ５１が吸収板２１の面と角度φ１をもつブラシ状の列をなして取り付けられており、この角度φ１は、根元から先端に向かって吸収板２１の外縁方向から中央方向に向かう９０°以下の鋭角となっている。
【００２８】
遮光ワイヤ５１は、散乱光２０６と２重反射光２０７の漏洩を防止するため、図１に示したＲ軸駆動装置１０３によって被施工面１０に接するように押し付けられ、レーザ照射ヘッド１の溶接動作に併せて被施工面１０を擦動する。このため遮光ワイヤ５１としては、柔軟性のある材料を用いることが好ましい。この場合、金属製の単線を用いる場合にはその外径を１．５ｍｍ以下とすることが望ましく、金属素線を撚り合わせたロープ状のものを用いる場合にはロープの外径を２．０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】
本第１実施形態では、遮光ワイヤ５１は、腐食性の高いステンレスを用い、図５に示すように、ワイヤ素線５３を撚り合わせた外径１ｍｍのロープ状となっており、外径の同じ単線ワイヤよりもより柔軟性に富んでいる。遮光ワイヤ５１は、ブラシ状に並べて吸収板２１に取り付けられており、ワイヤ先端部５２は球状に加工されている。なお、図４では、遮光ワイヤ５１の一部のみが図示されているが、実際は吸収板２１の周縁部全周に沿って環状に遮光ワイヤ５１が配設されている。
【００３０】
このように構成された遮光ワイヤ５１では、その柔軟性に加え、ワイヤ先端部５２が球状であることによって、被施工面１０の凹凸等に引っかかることを抑制することができ、被施工面１０の凹凸等に引っかかることによって装置動作を阻害したり、遮光ワイヤ５１自体が破損することを抑制することができる。
【００３１】
また、上記した角度φ１を設けて遮光ワイヤ５１を配設することにより、押し付けられて遮光ワイヤ５１の変形する方向が吸収板２１の中央方向に定められるため、遮光ワイヤ５１同士が分散することなくまとまり、遮光効果を高めることができる。また、角度φ１を９０°以上の鈍角としないことにより、遮光ワイヤ５１のワイヤ先端部５２が吸収板２１より外側に飛び出すことなく、装置寸法を小型に抑えることができる。
【００３２】
図３，４に示すように、吸収板２１は、ノズル２２の周囲全体を囲む板状とされており、その中央部にはノズル２２と繋がっているビーム照射口２９が配設されている。このビーム照射口２９を中心にその周囲を囲むように、吸収板２１内に冷却ガス流路４６が配設されている。
【００３３】
図３に示すように、吸収板２１には、冷却ガス流路４６に連通して複数の冷却ガスノズル４７が配設されており、図示しない冷却ガス供給装置から酸化防止ガスと同じ成分である冷却ガス２０８が、冷却ガスチューブコネクター４５によって吸収板２１に接続された冷却ガスチューブ４４から供給され、遮光ワイヤ５１に向かって噴射され、遮光ワイヤ５１が冷却される。
【００３４】
遮光ワイヤ５１の材料には、金属、例えば、熱伝導性の高い銅、金、銀、融点の高いタングステン等、または、セラミックス、例えば、融点の高いアルミナ、酸化ケイ素、ガラス等、あるいはカーボンを用いることができる。融点の高い材料を用いることにより、長時間強い散乱光２０６等に曝された場合においても遮光ワイヤ５１自身が破損することを抑制することができる。また、熱伝導性の高い材料を使用することにより、熱が吸収板２１に伝導し易くなると共に、冷却ガス２０８による強制冷却の効果が上がり、やはり長時間強い散乱光２０６等に曝された場合においても遮光ワイヤ５１自身が破損することを抑制することができる。
【００３５】
以上のように構成された第１実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００３６】
次に、図６，７を参照して第２実施形態について説明する。なお第２実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００３７】
図６は、第２実施形態のノズル２２から先端側を拡大して示すものであり、図７は、吸収板２１を底面側から見た状態を示すものである。図６，７に示すように、この第２実施形態では、前述した遮光体３０として、複数の遮光ピン５４を用いている。
【００３８】
遮光ピン５４は、吸収板２１に形成されたピン穴５７に挿入されて係止されており、吸収板２１の上面側には、ピン穴５７に対応して夫々コイルバネ５５が収納されたシリンダー５６が配設されている。そして、遮光ピン５４は、コイルバネ５５によって被施工面１０側に付勢された状態となっている。
【００３９】
遮光ピン５７の先端部は、球面形状とされており、この球面形状の先端部が、コイルバネ５５によって付勢された状態で、被施工面１０に接触する。これによって、遮光ピン５４をある程度被施工面１０に押圧した状態で接触させることにより、被施工面１０の凹凸によらずコイルバネ５５の伸縮によって常に遮光ピン５４が被施工面１０に接した状態に維持できる構成となっている。また、被施工面１０の形状との追従性を向上するために遮光ピン５４の径を小さくし、その代わりに配列を３列以上にしても良い。
【００４０】
図７に示すように、遮光ピン５４は、ビーム照射口２９の位置を中心に同心円状に２列配列されている。また、散乱光２０６が外側に漏れないように、内側の遮光ピン５４同士の間の部分に外側の遮光ピン５４が位置するように配列されている。なお、遮光ピン５４は、レーザ照射スポット２００の位置を中心に同心円状に２列配列してもよい。
【００４１】
また、内側の遮光ピン５４のさらに内側の部分に位置するように、吸収板２１内に環状の冷却ガス流路４６が形成されている。そして、図６に示すように、このガス流路４６とピン穴５７を連通するように、吸収板２１に冷却ガスノズル４７が形成されている。これにより、各遮光ピン５４に向けて酸化防止ガスと同じ成分である冷却ガスが噴射され、遮光ピン５４が冷却される。
【００４２】
遮光ピン５４の材質は、熱伝導率の高い金属、例えば、銅、金、銀、融点の高いタングステン等を用いてもよく、被施工面１０に接する球面状の先端部のみ耐磨耗性の高いステンレスを用いてもよい。また、セラミックス、例えば、融点の高いアルミナ、酸化ケイ素、ガラス等、あるいはカーボンを用いることができる。
【００４３】
以上のように構成された第２実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００４４】
次に、図８，９を参照して第３実施形態について説明する。なお第３実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００４５】
図８は、第３実施形態のノズル２２から先端側を拡大して示すものであり、図９は、吸収板２１を底面側から見た状態を示すものである。図８，９に示すように、第３実施形態では、遮光体３０として、遮光シート５８を用いている。
【００４６】
吸収板２１には、半円状に湾曲した複数の板バネ５９によって、張力をかけられた状態で帆のように張られた遮光シート５８が取り付けられている。遮光シート５８は、板バネ５９が弾性変形した状態となるように、ある程度被施工面１０に押し付けられた状態とされ、これによって、被施工面１０の凹凸に追従して常に遮光シート５８が被施工面１０に接触した状態が維持されるようになっている。同様の機能を果たすためには板バネ５９の代わりに、例えばコイルバネを用いることもできる。なお、図９では、遮光シート５８の一部のみが図示されているが、実際は吸収板２１の周縁部全周に沿って環状に遮光シート５８が配設されている。
【００４７】
遮光シート５８の材質としては、耐熱性を考慮して、例えば、融点の高いアルミナや酸化ケイ素、ガラスなどのセラミック繊維、また熱伝導性に優れたカーボン繊維や、タングステンや銅などの金属細線などを、織物もしくは不織シート状にしたものも用いることができる。
【００４８】
以上のように構成された第３実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００４９】
次に、図１０，１１を参照して第４実施形態について説明する。なお第４実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００５０】
図１０は、第４実施形態の全体構成を示すものであり、図１１は、レーザ照射ヘッド１の構成を示すものである。図１０，１１に示すように、第４実施形態は、水中の配管内面のクラッド溶接を遠隔で実施するものである。
【００５１】
図１０に示すように、第４実施形態では、水１２で満たされた水槽１１に接続された配管８にレーザ照射ヘッド１を搭載した施工装置１００を挿入し固定する。レーザ発振器２、ロボット制御盤３および酸化防止ガス供給装置４は、水槽１１外のプラットホーム９上に設置され、光ファイバー５、制御電線６、ガス供給チューブ７によってレーザ照射ヘッド１と接続されている。
【００５２】
図１１に示す光ファイバー５を鏡筒２０に接続するためのファイバーコネクター２３及びガス供給チューブ７を鏡筒２０に接続するためのガスチューブコネクター２４は、水密構造とされている。また、遮光体３０の外側に位置するように、環状の封止スカート６０が配設されている。
【００５３】
封止スカート６０は、柔軟性を有する材料、例えば、シリコンゴム、ポリウレタン、ネオブチルゴムなどの樹脂から構成されている。この封止スカート６０は、吸収板２１と被施工面１０との間に水密空間１３を形成するためのものであり、封止スカート６０の先端側は、配管８の内面に密着させるように押し付けられる。また、封止スカート６０の後端側は、吸収板２１に図示しないベルト等で締め付けて取り付けられ、吸収板２１との間を水密状態に保つようになっている。
【００５４】
水密空間１３には、冷却ガスチューブ４４から供給される冷却ガス２０８が蓄えられる。図示しない冷却ガス供給装置の機能により、封止スカート６０内は、外の水圧以上の静圧となるよう保持され、内外の差圧分は排出ガス２０９として排出される。水密空間１３内の水排除には、ガス供給チューブ７から供給される酸化防止ガスを用い、酸化防止ガス供給装置４に水密空間１３内の圧力保持機能を持たせてもよい。
【００５５】
第１実施形態と同様に、遮光体３０は、吸収板２１の面との成す角φ１（図４参照。）が鋭角となるようブラシ状の列をなして取り付けられている遮光ワイヤ５１によって構成されている。また、遮光ワイヤ５１は、ワイヤ素線５３（図５参照。）を撚り合わせたロープからなり、ワイヤ先端部５２が球状とされている。
【００５６】
以上のように構成された第４実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００５７】
また、第４実施形態では、遮光ワイヤ５１が被施工面１０に接するように押し付けられることによって、散乱光２０６、２重反射光２０７等を遮蔽することができ、封止スカート６０に散乱光２０６、２重反射光２０７等が照射されることを抑制することができる。これによって、封止スカート６０の健全性を保つことができ、水密空間１３内の気層空間を安定的に作りだすことができる。その結果、水槽１１内の水中でも、安定的にクラッド溶接を行うことが可能となる。なお、図１２に、第４実施形態のノズル２２より先端側の使用状態を示す。
【００５８】
次に、図１３〜１９を参照して、変形例について説明する。これらの変形例は、第１実施形態における吸収板２１の表面に、線状溝４８、または点状溝４９を配設したものである。
【００５９】
図１３に示す変形例は、ビーム照射口２９の周りに溝同士が同心円となるような溝加工を施して同心円状の線状溝４８を形成したものである。また、図１４に示す例は、ビーム照射口２９を中心とした放射状の溝加工を施して放射状の線状溝４８を形成したものである。これらの線状溝４８の断面形状は、例えば図１５に示すような半円状や、図１６に示すような三角状等とすることができる。
【００６０】
図１７に示す変形例は、吸収板２１の表面に一面に点状溝４９を形成したものである。点状溝４９の形状は、例えば図１８に示すような半球状や、図１９に示すような四角錐状等とすることができる。
【００６１】
上記の各変形例のように、吸収板２１の表面に線状溝４８、または点状溝４９を形成すると、吸収板２１の表面積を大きくすることができ、反射光２０５等の吸収量を増大させて、２重反射光２０７の発生を抑制することができる。これによって、さらに確実に、レーザ照射ヘッド１の外の機器が損傷を受けることを抑制することができる。
【００６２】
また、同様の効果を得るために、吸収板２１の表面を、表面粗さの大きな梨地面として表面積を大きくすることもできる。さらに、吸収板２１の表面に、赤外光の吸収率が高く、耐熱性の高いＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＷＣ（タングステンカーバイド）等のセラミックを溶射などによりコーティングしてもよい。
【００６３】
ところで、上述した各実施形態では、図１等に示したψ軸駆動装置１０４により、図２に示した被施工面１０の施工部法線軸２０３に対してビーム照射軸２０４のなす角ψ１が０°以上、９０°以下の範囲となるように、レーザ照射ヘッド１の姿勢を調整することができる。この場合、図２０に示すように、レーザ照射スポットの径をｄ、ノズル２２先端部の径をＤ、吸収板２１と被施工面１０との距離をＬ、ビーム照射軸２０４から吸収板２１の外周までの距離をＷとした場合、ψ１は以下の２式を満たす値となるよう調整することが好ましい。
２Ｌtan(ψ1)−ｄ／２＞Ｄ／（２cos（ψ1)） （式１）
２Ｌtan(ψ1)＋ｄ／２＜Ｗ （式２）
【００６４】
例えば同じ光学系を用いてレーザ照射スポットの径ｄを小さくした条件を用いる場合、Ｒ軸駆動装置１０３を調整してレーザ照射ヘッド１を被施工面１０に近づけるので、距離Ｌが小さくなる。このとき反射光２０５は、吸収板２１に照射されずにノズル２２に照射される割合が高くなる。これを避けるためにψ軸駆動装置１０４を調整してψ１をより大きくする。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は，例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１……レーザ照射ヘッド、５……光ファイバー、２０……鏡筒、２１……吸収板、２２……ノズル、２５……コリメートレンズ、２６……集光レンズ、３０……遮光体。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光をエネルギー源として用いる施工プロセスは、溶接、切断、表面材料改質、応力改善など多用途に利用されており、いずれにおいてもレーザ光をレンズなどの光学素子で集光するなどして施工対象物に対して空間的エネルギー密度を高めて照射されることで共通している。溶接、切断、表面材料改質など加熱プロセスの熱源としてレーザ光を用いる場合、照射されたレーザ光のエネルギーの何割かが材料に吸収されることによって施工対象となる材料がその表面から加熱・溶融し、所望の施工プロセスを実現する。材料表面でのレーザ光の吸収率はその材質、使用するレーザの波長、エネルギー密度、照射角度などに依存することから、目的とする施工プロセスにおいて適切な施工結果を得るために、これらのパラメータに応じて適宜照射するレーザ光源およびその出力を調整している。
【０００３】
材料に吸収されないレーザ光は、反射（もしくは散乱）されるが、そのエネルギーは材料に吸収されるレーザ光に比して２倍以上になる場合もある。高エネルギーの反射光がエンドエフェクターであるレーザ照射ヘッド内に戻ってきた場合、内部の光学素子を固定する金具などが加熱・損傷し、その結果として光学素子そのものにダメージが及ぶことがある。
【０００４】
また近年においてレーザ光伝送手段の主流となっている光ファイバーは非常に細く、また樹脂製のバッファ層や被覆層は熱に弱いため、反射光によるダメージに対しては無防備である。このため反射光による装置のダメージを予防するため、レーザ光を射出するためのレーザ照射ヘッドの鏡筒内の光路にピンホール状の部品を配置することによって光学系の有効径より外に反射光が入射しないよう対策する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、例えば、レーザ光の照射角度を傾斜させることによって反射光方向が射出するレーザ光の軸と一致しないように設置し、反射光をレーザ照射ヘッドの外に逃がすように対策する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１５５４８９号公報
【特許文献２】特開２０００−５６０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、ピンホール状の部品を光路に配置した場合、ピンホール径は部品公差や光学系の調整誤差のために余裕のある大きさにしなければビームを伝送する役割を果たさない。したがって光ファイバーの被覆材料や光学素子固定金具の損傷を完全に防止することはできない。
【０００８】
また、レーザ光の照射角度を傾斜させた場合、反射光はレーザ照射ヘッドに戻らず損傷リスクを下げることが可能である。しかし、レーザ光を射出するレーザ照射ヘッドの先端部と施工対象物との間には、施工対象面の凹凸や開先加工された形状に追従するためにある程度の距離を保った間隙が必要である。このため、レーザ照射ヘッドの内の導光路へ戻らなかった反射光は、ノズル等に遮られることなく周囲に漏洩し、例えば装置に付随する電線や不活性ガス供給チューブなどを損傷させる原因となる。特に装置を小型化した遠隔溶接装置のような応用例では機器が狭い空間に高密度に配置されており、損傷対策の必要な部品が多くなる。
【０００９】
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、施工対象物からの反射光によって装置が損傷することを抑制できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態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、前記レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、前記レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、前記レーザ光源からの前記レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、前記レーザ光の照射による前記被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間に介在するとともに、前記被加工物の前記レーザ光の照射部位の周囲を囲むように前記レーザ照射ヘッドに配設され、かつ、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体とを具備したことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図。
【図２】図１のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図３】図２のレーザ照射ヘッドの要部概略構成を拡大して示す図。
【図４】図２のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図５】図２のレーザ照射ヘッドの遮光ワイヤの構成を拡大して示す図。
【図６】第２実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図７】図６のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図８】第３実施形態に係るレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図９】図８のレーザ照射ヘッドの吸収板の概略構成を示す図。
【図１０】第４実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図。
【図１１】図１０のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。
【図１２】図１０のレーザ加工装置の使用状態を説明するための図。
【図１３】変形例の要部構成を示す図。
【図１４】変形例の要部構成を示す図。
【図１５】溝形状の例を示す図。
【図１６】溝形状の例を示す図。
【図１７】変形例の要部構成を示す図。
【図１８】溝形状の例を示す図。
【図１９】溝形状の例を示す図。
【図２０】レーザ光の照射角度を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、レーザ加工装置の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１、図２は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す図であり、このレーザ加工装置は、配管内面のクラッド溶接を遠隔で実施するのに好適なレーザ加工装置である。
【００１４】
図１に示すように、施工装置１００は、レーザ照射ヘッド１を搭載しており、配管８内に挿入され、固定機構１０５によって配管８内に固定される。施工装置１００は、レーザ照射ヘッド１を配管８の軸方向へ移動するためのＺ軸駆動装置１０１、周方向へ移動するためのθ軸駆動装置１０２、半径方向へ移動するためのＲ軸駆動装置１０３を搭載している。また、施工装置１００は、ψ軸駆動装置１０４を搭載している。このψ軸駆動装置１０４は、レーザ照射ヘッド１のレーザ照射角度ψ（チルト方向）を調整するための装置である。
【００１５】
各駆動装置は、電磁モータや超音波モータ、油圧モータなどのアクチュエータと、エンコーダやレゾルバ、リミットスイッチなどの回転／位置検出センサと、歯車やラック／ピニオン、プーリー、ベルトなどの動力伝達部品と、リニアガイドやベアリングなどの摺動・軸受け部品などによって構成されている。また、施工装置１００には、図示しないフィラーワイヤー供給機構が搭載されており、図示しないフィラーワイヤードラムからアクチュエータによってフィラーワイヤーが供給されるようになっている。これらのアクチュエータやセンサなどの電装品のために施工装置１００には制御電線６が接続されている。
【００１６】
レーザ照射ヘッド１には、レーザ光を伝送する光ファイバー５と、溶接時の酸化を防止するために溶融池２０１（図２参照。）近傍に吹きつける酸化防止ガスを供給するためのガス供給チューブ７が接続されている。光ファイバー５、制御電線６、ガス供給チューブ７は、配管８から離れたプラットホーム９上に設置したレーザ発振器２、ロボット制御盤３および酸化防止ガス供給装置４に接続されており、これによって遠隔でのクラッド溶接が可能となっている。
【００１７】
図２は、図１に示した第１実施形態におけるレーザ照射ヘッド１の概略構成を模式的に示すものである。図２に示すように、レーザ照射ヘッド１は、鏡筒２０を具備している。鏡筒２０の後端側（図２中上側）には、レーザ光を伝送する光ファイバー５が、取り付け／取り外しが容易なようにファイバーコネクター２３を介して接続されている。
【００１８】
鏡筒２０の先端側には、ノズル２２が配設されている。また、鏡筒２０内には、後端側から順に、コリメートレンズ２５、集光レンズ２６、ウインドウ２７が配設されている。ウインドウ２７は、溶融池２０１からのスパッタ等により、集光レンズ２６などの光学系が損傷することを防止するためのものである。
【００１９】
光ファイバー５から照射されるレーザ光は、コリメートレンズ２５によって平行光とされ、集光レンズ２６によって集光された後、ウインドウ２７、ノズル２２を通り、集光ビーム２０２として被施工面１０に照射される。被施工面１０と集光ビーム２０２が射出されるノズル２２との間には、一定の間隔が形成されるようになっており、これによって、被施工面１０の凹凸や開先加工された形状に追従できるようになっている。集光ビーム２０２はノズル２２内で焦点を結んだ後に被施工面１０に照射されることによって、ノズル２２内で焦点を結ばずに同じビーム径で被施工面１０に照射する場合に比べてノズル２２の内径を小さくすることができる。
【００２０】
鏡筒２０の側壁部分には、取り付け／取り外し自在のガスチューブコネクター２４を介して酸化防止ガスを供給するためのガス供給チューブ７が接続されている。ガス供給チューブ７から鏡筒２０内に供給された酸化防止ガスは、ノズル２２とウインドウ２７の取り付け部に設けられた酸化防止ガスのガス流路２８を通り、ノズル２２を通って被施工面１０の集光ビーム２０２の照射部位の近傍に供給される。
【００２１】
クラッド溶接においては、集光ビーム２０２が被施工面１０に照射されると配管８の材料が溶融して溶融池２０１となり、ここに図示しないフィラーワイヤーを供給して溶接肉盛りを形成する。この溶接肉盛りの酸化を防止するために酸化防止ガスがノズル２２から供給される。
【００２２】
ノズル２２の先端部分には、レーザ光を吸収する吸収材からなる板状の吸収板２１が取り付けられている。この吸収板２１としては、反射光２０５の吸収率を向上させるべく表面にコーティングを施したもの、例えば、タングステンカーバイドやシリコンカーバイドなどの耐熱セラミックスを溶射したもの等を使用することができる。
【００２３】
このように、吸収板２１を配設することによって、被施工面１０に照射されたレーザ光の反射光２０５をエネルギー密度の高い位置で吸収することにより、そのエネルギーの大部分を吸収することが可能となり、反射光２０５によるレーザ照射ヘッド１の内外の機器の損傷を防止することができる。なお、反射光２０５のエネルギーは、吸収板２１に吸収されて熱となる。このため熱を回収するための冷媒を循環させる冷媒流路などを吸収板２１に配設してもよい。
【００２４】
また、吸収板２１の周縁部には、遮光体３０が配設されている。この遮光体３０は、レーザ照射ヘッド１（吸収板２１）と被加工物の被施工面１０との間に介在するように配設されており、かつ、被加工物の被施工面１０のレーザ光の照射部位の周囲を囲むように配設されている。
【００２５】
また、遮光体３０は、レーザ照射ヘッド１と被加工物の被施工面１０との間の距離の変動に応じて変形可能とされている。被施工面１０からは反射光２０５が発生するのみでなく、金属が溶融した溶融池２０１の表面からの散乱光２０６も発生する。また吸収板２１に吸収されなかった反射光２０５のエネルギーが２重反射光２０７となる。遮光体３０は、これらのエネルギーを吸収し、外部に漏洩しないようにするために配設されている。このため、遮光体３０は、耐熱性を有する必要があり、金属、セラミックス、カーボン、金属繊維、セラミック繊維、カーボン繊維のいずれかから構成される。なお、図２において、２０３は、被施工面１０における施工部法線軸を示しており、ψ１は、この施工部法線軸２０３とビーム照射軸２０４とがなす角を示している。
【００２６】
図３〜５は、図２の遮光体３０の構成を拡大して示す図である。これらのうち図３はノズル２２より先端側を拡大して示す図である。図３に示すように、本第１実施形態における遮光体３０は、遮光ワイヤ５１から構成されている。
【００２７】
図４は、吸収板２１を底面側から見た状態を模式的に示す図である。図４に示すように、複数の遮光ワイヤ５１が吸収板２１の面と角度φ１をもつブラシ状の列をなして取り付けられており、この角度φ１は、根元から先端に向かって吸収板２１の外縁方向から中央方向に向かう９０°以下の鋭角となっている。
【００２８】
遮光ワイヤ５１は、散乱光２０６と２重反射光２０７の漏洩を防止するため、図１に示したＲ軸駆動装置１０３によって被施工面１０に接するように押し付けられ、レーザ照射ヘッド１の溶接動作に併せて被施工面１０を擦動する。このため遮光ワイヤ５１としては、柔軟性のある材料を用いることが好ましい。この場合、金属製の単線を用いる場合にはその外径を１．５ｍｍ以下とすることが望ましく、金属素線を撚り合わせたロープ状のものを用いる場合にはロープの外径を２．０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】
本第１実施形態では、遮光ワイヤ５１は、腐食性の高いステンレスを用い、図５に示すように、ワイヤ素線５３を撚り合わせた外径１ｍｍのロープ状となっており、外径の同じ単線ワイヤよりもより柔軟性に富んでいる。遮光ワイヤ５１は、ブラシ状に並べて吸収板２１に取り付けられており、ワイヤ先端部５２は球状に加工されている。なお、図４では、遮光ワイヤ５１の一部のみが図示されているが、実際は吸収板２１の周縁部全周に沿って環状に遮光ワイヤ５１が配設されている。
【００３０】
このように構成された遮光ワイヤ５１では、その柔軟性に加え、ワイヤ先端部５２が球状であることによって、被施工面１０の凹凸等に引っかかることを抑制することができ、被施工面１０の凹凸等に引っかかることによって装置動作を阻害したり、遮光ワイヤ５１自体が破損することを抑制することができる。
【００３１】
また、上記した角度φ１を設けて遮光ワイヤ５１を配設することにより、押し付けられて遮光ワイヤ５１の変形する方向が吸収板２１の中央方向に定められるため、遮光ワイヤ５１同士が分散することなくまとまり、遮光効果を高めることができる。また、角度φ１を９０°以上の鈍角としないことにより、遮光ワイヤ５１のワイヤ先端部５２が吸収板２１より外側に飛び出すことなく、装置寸法を小型に抑えることができる。
【００３２】
図３，４に示すように、吸収板２１は、ノズル２２の周囲全体を囲む板状とされており、その中央部にはノズル２２と繋がっているビーム照射口２９が配設されている。このビーム照射口２９を中心にその周囲を囲むように、吸収板２１内に冷却ガス流路４６が配設されている。
【００３３】
図３に示すように、吸収板２１には、冷却ガス流路４６に連通して複数の冷却ガスノズル４７が配設されており、図示しない冷却ガス供給装置から酸化防止ガスと同じ成分である冷却ガス２０８が、冷却ガスチューブコネクター４５によって吸収板２１に接続された冷却ガスチューブ４４から供給され、遮光ワイヤ５１に向かって噴射され、遮光ワイヤ５１が冷却される。
【００３４】
遮光ワイヤ５１の材料には、金属、例えば、熱伝導性の高い銅、金、銀、融点の高いタングステン等、または、セラミックス、例えば、融点の高いアルミナ、酸化ケイ素、ガラス等、あるいはカーボンを用いることができる。融点の高い材料を用いることにより、長時間強い散乱光２０６等に曝された場合においても遮光ワイヤ５１自身が破損することを抑制することができる。また、熱伝導性の高い材料を使用することにより、熱が吸収板２１に伝導し易くなると共に、冷却ガス２０８による強制冷却の効果が上がり、やはり長時間強い散乱光２０６等に曝された場合においても遮光ワイヤ５１自身が破損することを抑制することができる。
【００３５】
以上のように構成された第１実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００３６】
次に、図６，７を参照して第２実施形態について説明する。なお第２実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００３７】
図６は、第２実施形態のノズル２２から先端側を拡大して示すものであり、図７は、吸収板２１を底面側から見た状態を示すものである。図６，７に示すように、この第２実施形態では、前述した遮光体３０として、複数の遮光ピン５４を用いている。
【００３８】
遮光ピン５４は、吸収板２１に形成されたピン穴５７に挿入されて係止されており、吸収板２１の上面側には、ピン穴５７に対応して夫々コイルバネ５５が収納されたシリンダー５６が配設されている。そして、遮光ピン５４は、コイルバネ５５によって被施工面１０側に付勢された状態となっている。
【００３９】
遮光ピン５７の先端部は、球面形状とされており、この球面形状の先端部が、コイルバネ５５によって付勢された状態で、被施工面１０に接触する。これによって、遮光ピン５４をある程度被施工面１０に押圧した状態で接触させることにより、被施工面１０の凹凸によらずコイルバネ５５の伸縮によって常に遮光ピン５４が被施工面１０に接した状態に維持できる構成となっている。また、被施工面１０の形状との追従性を向上するために遮光ピン５４の径を小さくし、その代わりに配列を３列以上にしても良い。
【００４０】
図７に示すように、遮光ピン５４は、ビーム照射口２９の位置を中心に同心円状に２列配列されている。また、散乱光２０６が外側に漏れないように、内側の遮光ピン５４同士の間の部分に外側の遮光ピン５４が位置するように配列されている。なお、遮光ピン５４は、レーザ照射スポット２００の位置を中心に同心円状に２列配列してもよい。
【００４１】
また、内側の遮光ピン５４のさらに内側の部分に位置するように、吸収板２１内に環状の冷却ガス流路４６が形成されている。そして、図６に示すように、このガス流路４６とピン穴５７を連通するように、吸収板２１に冷却ガスノズル４７が形成されている。これにより、各遮光ピン５４に向けて酸化防止ガスと同じ成分である冷却ガスが噴射され、遮光ピン５４が冷却される。
【００４２】
遮光ピン５４の材質は、熱伝導率の高い金属、例えば、銅、金、銀、融点の高いタングステン等を用いてもよく、被施工面１０に接する球面状の先端部のみ耐磨耗性の高いステンレスを用いてもよい。また、セラミックス、例えば、融点の高いアルミナ、酸化ケイ素、ガラス等、あるいはカーボンを用いることができる。
【００４３】
以上のように構成された第２実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００４４】
次に、図８，９を参照して第３実施形態について説明する。なお第３実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００４５】
図８は、第３実施形態のノズル２２から先端側を拡大して示すものであり、図９は、吸収板２１を底面側から見た状態を示すものである。図８，９に示すように、第３実施形態では、遮光体３０として、遮光シート５８を用いている。
【００４６】
吸収板２１には、半円状に湾曲した複数の板バネ５９によって、張力をかけられた状態で帆のように張られた遮光シート５８が取り付けられている。遮光シート５８は、板バネ５９が弾性変形した状態となるように、ある程度被施工面１０に押し付けられた状態とされ、これによって、被施工面１０の凹凸に追従して常に遮光シート５８が被施工面１０に接触した状態が維持されるようになっている。同様の機能を果たすためには板バネ５９の代わりに、例えばコイルバネを用いることもできる。なお、図９では、遮光シート５８の一部のみが図示されているが、実際は吸収板２１の周縁部全周に沿って環状に遮光シート５８が配設されている。
【００４７】
遮光シート５８の材質としては、耐熱性を考慮して、例えば、融点の高いアルミナや酸化ケイ素、ガラスなどのセラミック繊維、また熱伝導性に優れたカーボン繊維や、タングステンや銅などの金属細線などを、織物もしくは不織シート状にしたものも用いることができる。
【００４８】
以上のように構成された第３実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００４９】
次に、図１０，１１を参照して第４実施形態について説明する。なお第４実施形態において、第１実施形態と対応する部分には同一の符号を付して、重複した説明は省略する。
【００５０】
図１０は、第４実施形態の全体構成を示すものであり、図１１は、レーザ照射ヘッド１の構成を示すものである。図１０，１１に示すように、第４実施形態は、水中の配管内面のクラッド溶接を遠隔で実施するものである。
【００５１】
図１０に示すように、第４実施形態では、水１２で満たされた水槽１１に接続された配管８にレーザ照射ヘッド１を搭載した施工装置１００を挿入し固定する。レーザ発振器２、ロボット制御盤３および酸化防止ガス供給装置４は、水槽１１外のプラットホーム９上に設置され、光ファイバー５、制御電線６、ガス供給チューブ７によってレーザ照射ヘッド１と接続されている。
【００５２】
図１１に示す光ファイバー５を鏡筒２０に接続するためのファイバーコネクター２３及びガス供給チューブ７を鏡筒２０に接続するためのガスチューブコネクター２４は、水密構造とされている。また、遮光体３０の外側に位置するように、環状の封止スカート６０が配設されている。
【００５３】
封止スカート６０は、柔軟性を有する材料、例えば、シリコンゴム、ポリウレタン、ネオブチルゴムなどの樹脂から構成されている。この封止スカート６０は、吸収板２１と被施工面１０との間に水密空間１３を形成するためのものであり、封止スカート６０の先端側は、配管８の内面に密着させるように押し付けられる。また、封止スカート６０の後端側は、吸収板２１に図示しないベルト等で締め付けて取り付けられ、吸収板２１との間を水密状態に保つようになっている。
【００５４】
水密空間１３には、冷却ガスチューブ４４から供給される冷却ガス２０８が蓄えられる。図示しない冷却ガス供給装置の機能により、封止スカート６０内は、外の水圧以上の静圧となるよう保持され、内外の差圧分は排出ガス２０９として排出される。水密空間１３内の水排除には、ガス供給チューブ７から供給される酸化防止ガスを用い、酸化防止ガス供給装置４に水密空間１３内の圧力保持機能を持たせてもよい。
【００５５】
第１実施形態と同様に、遮光体３０は、吸収板２１の面との成す角φ１（図４参照。）が鋭角となるようブラシ状の列をなして取り付けられている遮光ワイヤ５１によって構成されている。また、遮光ワイヤ５１は、ワイヤ素線５３（図５参照。）を撚り合わせたロープからなり、ワイヤ先端部５２が球状とされている。
【００５６】
以上のように構成された第４実施形態によれば、被施工面１０の形状変化による乱反射のような散乱光２０６や、吸収板２１からの２重反射光２０７等を、遮光体３０が吸収して外部に漏洩することを防止することができるため、レーザ照射ヘッド１の外部の機器が損傷を受けることを防止することができる。
【００５７】
また、第４実施形態では、遮光ワイヤ５１が被施工面１０に接するように押し付けられることによって、散乱光２０６、２重反射光２０７等を遮蔽することができ、封止スカート６０に散乱光２０６、２重反射光２０７等が照射されることを抑制することができる。これによって、封止スカート６０の健全性を保つことができ、水密空間１３内の気層空間を安定的に作りだすことができる。その結果、水槽１１内の水中でも、安定的にクラッド溶接を行うことが可能となる。なお、図１２に、第４実施形態のノズル２２より先端側の使用状態を示す。
【００５８】
次に、図１３〜１９を参照して、変形例について説明する。これらの変形例は、第１実施形態における吸収板２１の表面に、線状溝４８、または点状溝４９を配設したものである。
【００５９】
図１３に示す変形例は、ビーム照射口２９の周りに溝同士が同心円となるような溝加工を施して同心円状の線状溝４８を形成したものである。また、図１４に示す例は、ビーム照射口２９を中心とした放射状の溝加工を施して放射状の線状溝４８を形成したものである。これらの線状溝４８の断面形状は、例えば図１５に示すような半円状や、図１６に示すような三角状等とすることができる。
【００６０】
図１７に示す変形例は、吸収板２１の表面に一面に点状溝４９を形成したものである。点状溝４９の形状は、例えば図１８に示すような半球状や、図１９に示すような四角錐状等とすることができる。
【００６１】
上記の各変形例のように、吸収板２１の表面に線状溝４８、または点状溝４９を形成すると、吸収板２１の表面積を大きくすることができ、反射光２０５等の吸収量を増大させて、２重反射光２０７の発生を抑制することができる。これによって、さらに確実に、レーザ照射ヘッド１の外の機器が損傷を受けることを抑制することができる。
【００６２】
また、同様の効果を得るために、吸収板２１の表面を、表面粗さの大きな梨地面として表面積を大きくすることもできる。さらに、吸収板２１の表面に、赤外光の吸収率が高く、耐熱性の高いＳｉＣ（シリコンカーバイド）やＷＣ（タングステンカーバイド）等のセラミックを溶射などによりコーティングしてもよい。
【００６３】
ところで、上述した各実施形態では、図１等に示したψ軸駆動装置１０４により、図２に示した被施工面１０の施工部法線軸２０３に対してビーム照射軸２０４のなす角ψ１が０°以上、９０°以下の範囲となるように、レーザ照射ヘッド１の姿勢を調整することができる。この場合、図２０に示すように、レーザ照射スポットの径をｄ、ノズル２２先端部の径をＤ、吸収板２１と被施工面１０との距離をＬ、ビーム照射軸２０４から吸収板２１の外周までの距離をＷとした場合、ψ１は以下の２式を満たす値となるよう調整することが好ましい。
２Ｌtan(ψ1)−ｄ／２＞Ｄ／（２cos（ψ1)） （式１）
２Ｌtan(ψ1)＋ｄ／２＜Ｗ （式２）
【００６４】
例えば同じ光学系を用いてレーザ照射スポットの径ｄを小さくした条件を用いる場合、Ｒ軸駆動装置１０３を調整してレーザ照射ヘッド１を被施工面１０に近づけるので、距離Ｌが小さくなる。このとき反射光２０５は、吸収板２１に照射されずにノズル２２に照射される割合が高くなる。これを避けるためにψ軸駆動装置１０４を調整してψ１をより大きくする。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は，例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６６】
１……レーザ照射ヘッド、５……光ファイバー、２０……鏡筒、２１……吸収板、２２……ノズル、２５……コリメートレンズ、２６……集光レンズ、３０……遮光体。
【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、
前記レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、前記レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、
前記レーザ光源からの前記レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、
前記レーザ光の照射による前記被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、
前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間に介在するとともに、前記被加工物の前記レーザ光の照射部位の周囲を囲むように前記レーザ照射ヘッドに配設され、かつ、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体と
を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、金属繊維、セラミック繊維、カーボン繊維のいずれかであることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ照射ヘッドの前記被加工物との対向面に、前記レーザ光を吸収するための吸収体が配設され、当該吸収体の周囲に前記遮光体が配設されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３項記載のレーザ加工装置であって、
前記吸収材の、前記被加工物に対向する面に、複数の溝が形成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ光伝送手段が光ファイバーであり、前記レーザ照射ヘッドは、前記光ファイバーから照射される前記レーザ光を平行光にするコリメートレンズを具備した
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記被加工物表面における前記レーザ光の光軸が、前記被加工物表面の法線軸に対して傾斜するよう前記レーザ照射ヘッドが構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、柔軟性を有する単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープのいずれかから構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項７記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープが金属製である
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープが、前記レーザ照射ヘッドの取り付け面に対して、先端が中央方向に向くように傾斜して配設されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項７〜９いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープの先端が半球状の曲面とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、前記レーザ照射ヘッドに配設された複数の円柱状部材から構成され、
前記被加工物の表面形状に応じて前記円柱状部材が弾性的に軸方向に移動可能とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１１項記載のレーザ加工装置であって、
前記円柱状部材の先端部が半球状とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置
【請求項１３】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、耐熱性繊維織物または耐熱性不織繊維シートのいずれかから構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体にガスを吹き付けて冷却する冷却機構を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物の間に介在するとともに、前記遮光体の周囲を囲むように配設され、内部にガスが充満された空間を形成するための封止スカートを具備した
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザ光を発生させるレーザ光源と、
前記レーザ光を集光するための集光レンズを搭載し、前記レーザ光を被加工物に照射するためのレーザ照射ヘッドと、
前記レーザ光源からの前記レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに伝送するためのレーザ光伝送手段と、
前記レーザ光の照射による前記被加工物の酸化を防止するための酸化防止ガスを供給する酸化防止ガス供給装置と、
前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間に介在するとともに、前記被加工物の前記レーザ光の照射部位の周囲を囲むように前記レーザ照射ヘッドに配設され、かつ、前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物との間の距離の変動に応じて変形可能とされ、金属、セラミックス、カーボンのいずれかからなる遮光体と
を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、金属繊維、セラミック繊維、カーボン繊維のいずれかであることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ照射ヘッドの前記被加工物との対向面に、前記レーザ光を吸収するための吸収体が配設され、当該吸収体の周囲に前記遮光体が配設されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項４】
請求項３項記載のレーザ加工装置であって、
前記吸収材の、前記被加工物に対向する面に、複数の溝が形成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ光伝送手段が光ファイバーであり、前記レーザ照射ヘッドは、前記光ファイバーから照射される前記レーザ光を平行光にするコリメートレンズを具備した
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記被加工物表面における前記レーザ光の光軸が、前記被加工物表面の法線軸に対して傾斜するよう前記レーザ照射ヘッドが構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、柔軟性を有する単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープのいずれかから構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項８】
請求項７記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープが金属製である
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
請求項７又は８記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープが、前記レーザ照射ヘッドの取り付け面に対して、先端が中央方向に向くように傾斜して配設されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１０】
請求項７〜９いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記単線ワイヤまたは複数の素線を撚り合わせたワイヤーロープの先端が半球状の曲面とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１１】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、前記レーザ照射ヘッドに配設された複数の円柱状部材から構成され、
前記被加工物の表面形状に応じて前記円柱状部材が弾性的に軸方向に移動可能とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１２】
請求項１１項記載のレーザ加工装置であって、
前記円柱状部材の先端部が半球状とされている
ことを特徴とするレーザ加工装置
【請求項１３】
請求項１〜６いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体が、耐熱性繊維織物または耐熱性不織繊維シートのいずれかから構成されている
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記遮光体にガスを吹き付けて冷却する冷却機構を有する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
前記レーザ照射ヘッドと前記被加工物の間に介在するとともに、前記遮光体の周囲を囲むように配設され、内部にガスが充満された空間を形成するための封止スカートを具備した
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−１１０９４５（Ｐ２０１２−１１０９４５Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６３１７８（Ｐ２０１０−２６３１７８）
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【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６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２６日（２０１０．１１．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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