(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー加工装置の加工ヘッドに対して相対的に移動する金属材料の表面を該金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱し、酸素ガスのジェットを前記温度に予熱された予熱領域に噴射して前記金属材料を切断する装置において、前記加工ヘッドのハウジング内部に導入されたレーザービームを該レーザービームの光軸中心において反射する円錐状の反射鏡を前記ハウジング内に設け、該反射鏡からの反射光を前記金属材料の表面の上方位置に収束可能な円環状の凹面鏡を前記反射鏡に対向させて設け、該凹面鏡からのレーザービームが通過可能な複数のレーザービーム通過孔を前記ハウジングの底部に設け、該ハウジングの底部を冷却する冷却手段を設けると共に、該ハウジング底部に前記レーザービームの光軸中心と同軸に酸素ガスのジェットを噴射可能なガスジェット噴射ノズルを設け、該ガスジェット噴射ノズルとガス供給管路とに連通するガスチャンバーを前記ハウジング底部に設けたことを特徴とするレーザー加工装置の加工ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドにおいて、前記円環状の凹面鏡を複数に分割して設け、該複数に分割して設けた凹面鏡から反射されるレーザービームの位置に合わせてレーザービーム通過孔を前記ハウジング底部に設けたことを特徴とするレーザー加工装置の加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザー加工装置の加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明に関連する従来の技術として特表平０７−５０１２６６号がある。この従来の技術における基本的実施例を図６及び図７に示してある。
【０００３】
図６に示した例では、被加工物（１０）をその材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで表面を予熱するためのレーザービーム（２３）が、可燃性ガス（１２）（例えば酸素）を前記被加工物（１０）に噴射するノズル（２０）の内部を同軸に通過する様に設けられている。
【０００４】
また図７に示した例では、予熱用のレーザービーム（２３）は、その軸線（２３’）が前記ノズル（２０）の縦軸（２０”）に対して切断進行方向（２８）において、前方に角度αだけ傾斜して設けられている。このレーザービーム（２３’）の焦点（２２）は被加工物表面（１１）の上方に設けられているので、ノズル（２０）の縦軸（２０”）を含む位置の被加工物表面（１１）に楕円形のビームスポットを生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す様な上述の従来技術においては、可燃性ガス（１２）が被加工物表面（１１）に噴射される位置の周囲にレーザービーム（２３）によって予熱される領域ができるので、ノズル（２０）と被加工物（１０）とを任意の方向に相対的に移動させることにより金属材料を切断をすることが可能ではある。しかし、このノズル（２０）の中を可燃性ガス（１２）とレーザービーム（２３）とを同軸に通過させる構造においては、ノズル（２０）内に供給される可燃性ガスの圧力の変動が集光レンズ（２９）に変動的変形を与えるので、レーザービーム（２３）の焦点位置（２２）がランダムに変化して予熱温度の制御を難しくする。
【０００６】
もし、ノズルの上部にレーザービーム（２３）が透過可能で、ガスの圧力に耐えるウインドを設ければ、前記集光レンズ（２９）のガス圧による変形は押さえられるが、この場合にはウインドによるレーザービーム（２３）の反射及び透過によりレーザービーム（２３）の減衰が発生する。さらに、このウインドをエネルギー密度の高い集光されたレーザービーム（２３）が透過するため、ウインドが吸収するエネルギーでウインドが熱膨脹してレンズ効果を生じ、やはりレーザービーム（２３）の焦点位置（２２）に変動を与えるという問題が生じる。
【０００７】
また図７に示した上述の従来技術においては、予熱用のレーザービーム（２３）は、その軸線（２３’）が前記ノズル（２０）の縦軸（２０”）に対して切断進行方向（２８）において、楕円形のビームスポットとして被加工物表面（１１）に照射されるので、予熱用のレーザービーム（２３）の照射位置を切断進行方向（２８）の変化に合わせて移動制御させる必要がある。
【０００８】
本発明は上述の如き問題点に鑑みてなされたものであり、切断加工部の全周にほぼ円環状の予熱領域を形成可能なレーザービームを集光する光学系を設ける共に、予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない様に設け、任意の方向に対して精度の高い切断が可能なレーザー加工装置の加工ヘッドを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドは、レーザー加工装置の加工ヘッドに対して相対的に移動する金属材料の表面を該金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱し、酸素ガスのジェットを前記温度に予熱された予熱領域に噴射して前記金属材料を切断する装置において、前記加工ヘッドのハウジング内部に導入されたレーザービームを該レーザービームの光軸中心において反射する円錐状の反射鏡を前記ハウジング内に設け、該反射鏡からの反射光を前記金属材料の表面の上方位置に収束可能な円環状の凹面鏡を前記反射鏡に対向させて設け、該凹面鏡からのレーザービームが通過可能な複数のレーザービーム通過孔を前記ハウジングの底部に設け、該ハウジングの底部を冷却する冷却手段を設けると共に、前記ハウジング底部に前記レーザービームの光軸中心と同軸に酸素ガスのジェットを噴射可能なガスジェット噴射ノズルを設け、該ガスジェット噴射ノズルとガス供給管路とに連通するガスチャンバーを前記ハウジング底部に設けてなるものである。
【００１０】
請求項２に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドは、請求項１に記載のレーザー加工装置の加工ヘッドにおいて、前記円環状の凹面鏡を複数に分割して設け、該複数に分割して設けた凹面鏡から反射されるレーザービームの位置に合わせてレーザービーム通過孔を前記ハウジング底部に設けてなるものである。
【００１２】
【作用】
請求項１の如きレーザー加工装置の加工ヘッドとすることにより、切断加工部の前周にほぼ円環状の予熱領域を形成することが可能であり、予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない。また、凹面鏡が取り付けられていない部分のハウジングが吸収した熱も速やかに除去することができると共に、ガスジェット噴射ノズルから噴射されるガスの圧力変動を少なくすることができる。
【００１３】
請求項２の如きレーザー加工装置の加工ヘッドとすることにより、凹面鏡の一部が破損した場合、破損した凹面鏡のみを交換することができる。
【００１５】
【実施例】
次に本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例について図面を参照しながら説明する。図１はレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例の縦断面図を示したものであり図２はこの加工ヘッドの斜視図である。
【００１６】
さて、図１及び図２を参照するに、加工ヘッド１のハウジング３は底部５を備えた中空の円筒形状に形成してあり、このハウジング３の底部５にはこのハウジング内部に導入されたレーザービーム７をその光軸中心において反射する円錐状の反射鏡９が設けてある。
【００１７】
また、上記反射鏡９からの反射光を被加工材となる金属材料１１の表面１３の上方位置ｄに収束可能な円環状の凹面鏡１５を前記反射鏡９に対向させて設けてある。そして、この円環状の凹面鏡１５で反射されたレーザービーム７’が通過可能な複数のレーザービーム通過孔１７を前記ハウジング３の底部５に設けてある。
【００１８】
さらに、ハウジング３の底部５には前記レーザービーム７の光軸中心１９と同軸に酸素ガス２１のジェット２３を噴射可能なガスジェット噴射ノズル２５を設けてある。このガスジェット噴射ノズル２５が設てある前記ハウジング３の底部５には、酸素ガス２１のガス供給管路２７につながるガスチャンバー２９が設けてある。
【００１９】
また、前記円環状の凹面鏡１５が設けられているハウジング３の筒部分には、ハウジング３を冷却するための環状の冷却液流路３１を設けてある。この環状の冷却液流路３１に冷却液を供給する冷却液供給口３３と冷却液を排出する冷却液排出口３５とが適宜な位置に設けてある。
【００２０】
上記構成において、図示省略のレーザー光源からハウジング３の内部に導入されたレーザービーム７は、このレーザービーム７の光軸中心に設けた円錐状の反射鏡９により、その周囲に設けた円環状の凹面鏡１５に反射される。そして、この凹面鏡１５により再度反射されたレーザービーム７’はハウジング３の底部５に設けた複数のレーザービーム通過孔１７を通過して被加工材となる金属材料１１の表面１３に照射されることになる。このとき前記凹面鏡１５の焦点を前記金属材料１１の表面１３の上方位置ｄに収束する様に設けてあるので、この金属材料１１の表面１３にレーザービーム７’がほぼ円環状に拡散した予熱領域３７が形成されることになる。
【００２１】
そして、被加工材となる金属材料１１の表面１３の予熱領域３７はレーザービーム７’により、その金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱されることになる。例えば冷間圧延鋼板のＳＰＣの場合、発火燃焼温度は約１，２００℃であり、金属材料１１の表面１３の予熱領域３７への入力エネルギーを４〜５ｋＷ程度にすれば、深さ０．５ｍｍ程度までを数秒以内で１，２００℃に予熱することが可能である。
【００２２】
或いは、出力数ｋＷのレーザーを用いる場合でも、材質に応じて材料表面で６Ｗ／ｍｍ２  〜９０Ｗ／ｍｍ２  のパワー密度を有するように、レーザーの焦点位置からの焦点はずし量を選ぶことによって、上記の条件に予熱することができる。なお従来の１つのレーザー光で行った場合の実験では、同パワー密度は３０Ｗ／ｍｍ２  程度であった。
【００２３】
上述の様に金属材料１１の表面１３の予熱領域３７を、その金属材料の融解温度以下の発火燃焼温度まで予熱すると同時に、圧力４〜２０Ｂａｒ（約０．４ＭＰａ〜２ＭＰａ）の酸素ガスを噴射ノズル２５から金属材料１１の表面１３の切断加工部３９に噴射させながら金属材料１１を加工ヘッドに対して相対的に移動させることにより被加工材となる金属材料１１を任意の方向に切断することが可能である。
【００２４】
なお、前記ガスジェット噴射ノズル２５の近傍に設けた前記ガスチャンバー２９には、ガスジェット噴射ノズル２５での消費量より多い量の酸素ガスが常に供給され加圧貯留してある。そのため、設定された圧力に対して圧力変動がほとんどない安定した圧力の酸素ガスを噴射することができる。
【００２５】
また、前記円錐状の反射鏡９の頂角は９０度であるが、使用するレーザービーム７の直径の大小によて適宜な頂角を選択することが可能である。例えば図３は、レーザービーム７の直径が小さい場合で、頂角３０度の反射鏡９を使用した例である。図４はレーザービーム７の直径が大きい場合で、頂角１２０度の反射鏡９を使用した例である。なお、当然ながら反射鏡９の頂角を小さくすると反射されるレーザービーム７’の幅が大きくなり集光の仕方が短焦点レンズと相当の作用をし、逆に反射鏡９の頂角を大きくすると反射されるレーザービーム７’の幅が小さくなるので、長焦点レンズの相当の作用をする。なお凹面鏡のサイズも反射されるレーザービームの幅に合わせたものを使用することになる。
【００２６】
なおまた、前記凹面鏡１５は一体的な凹面鏡の代わりに複数の凹面鏡に分割して設けても同一の作用と効果を得ることが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、請求項１に記載の発明によれば、切断加工部の全周にほぼ円環状の予熱領域を形成することが可能であり、また予熱領域に噴射する酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばない。従って金属材料を加工ヘッドに対して相対的に移動させることにより金属材料を任意の方向に切断することができると共に、酸素ガスの圧力が前記光学系に及ばないので光学系の熱変形による予熱領域の温度変動が生じにくい。また、凹面鏡が取り付けられていない部分のハウジングが吸収した熱を速やかに除去することができるので光学系に対する熱影響を心配する必要がない。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、凹面鏡の一部が破損した場合、破損した凹面鏡のみを交換できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例。
【図２】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例の斜視図。
【図３】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例における円錐状の反射鏡に頂角９０度の円錐状の反射鏡を用いた例。
【図４】本発明に係わるレーザー加工装置の加工ヘッドの実施例における円錐状の反射鏡に頂角１２０度の円錐状の反射鏡を用いた例。
【図５】金属材料の表面の予熱領域と切断加工部との位置関係を示した拡大図。
【図６】従来技術の実施例。
【図７】従来技術の別の実施例。
【符号の説明】
１  加工ヘッド
３  ハウジング
５  底部
７，７’  レーザービーム
９  反射鏡
１１  金属材料
１３  表面
１５  凹面鏡
１７  レーザービーム通過孔
１９  光軸中心
２１  酸素ガス
２３  ジェット
２５  ガスジェット噴射ノズル
２７  ガス供給管路
２９  ガスチャンバー
３１  冷却液流路
３３  冷却液供給口
３５  冷却液排出口
３７  予熱領域
３９  切断加工部
【図１】
0003623274.tif 000002
【図２】
0003623274.tif 000003
【図３】
0003623274.tif 000004
【図４】
0003623274.tif 000005
【図５】
0003623274.tif 000006
【図６】
0003623274.tif 000007
【図７】
0003623274.tif 000008