(57)【要約】【課題】左右対称の切断面と限界板厚の拡大を同時に達成でき、厚板切断に適したレーザ加工用ヘッドを提供する。【解決手段】酸素ガスなどのアシストガスをレーザ光と同軸で流しつつレーザ光を集光して金属の熱加工を行うレーザ加工ヘッドであって、加工ヘッド本体の上部にレーザビームを集光せしめる集光手段を設け、加工ヘッド本体の中間部に透明平行板を前記レーザ光の光軸に直交する面から所定の傾斜角度だけ傾斜させて回転することによりレーザビームを偏心回転させる回転手段を２段設け、加工ヘッド本体の下部に前記アシストガスを噴射するノズルを設けてなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスなどのアシストガスをレーザ光と同軸で流しつつレーザ光を集光して金属の熱加工を行うレーザ加工ヘッドであって、加工ヘッド本体の上部にレーザビームを集光せしめる集光手段を設け、加工ヘッド本体の中間部に透明平行板を前記レーザ光の光軸に直交する面から所定の傾斜角度だけ傾斜させて回転することによりレーザビームを偏心回転させる回転手段を２段設け、加工ヘッド本体の下部に前記アシストガスを噴射するノズルを設けてなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記２段の回転手段として、１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
前記２段の回転手段として、レーザ加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として１段目と２段目の回転手段の位相角をそれぞれ９０°、−９０°、または−９０°、９０°とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
前記２段の回転手段として、レーザ加工ヘッドと被加工物との移動方向を基準として１段目と２段目の回転手段の位相角をそれぞれ０°、１８０°、または１８０°、０°とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
前記２段の回転手段を２組設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
前記２組の回転手段のうち、１組の回転手段の１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転とし、他の１組の回転手段の１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
前記２組の回転手段として、１組の回転手段の回転数を他の１組の回転手段の回転数の２倍とし、かつ、レーザ加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として１組の回転手段の１段目の位相角と２段目の位相角をそれぞれ９０°、−９０°、または−９０°、９０°とし、他の１組の回転手段の１段目と２段目の位相角をそれぞれ０°、１８０°、または１８０°、０°とすることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザと酸素によって鋼などの金属を熱加工するためのレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼等の被加工物に対してレーザ光をレンズなどの集光手段で集光するとともにレーザ光と同軸で酸素を供給して酸化反応を利用することにより熱的に切断する加工方法が知られている。図１０は一般的なレーザ加工ヘッドの基本的な構成を模式的に示す。このように一般的なレーザ加工ヘッドはレーザ光ＬＢを集光する集光手段３と酸素ガスなどのアシストガスを供給するアシストガスノズル１１とを一体化した構成となっている。
【０００３】
次に、出力２ｋＷ級の中出力レーザにて６ｋＷ程度の高出力レーザに相当する厚手材（１９〜２５ｍｍ程度）の切断を可能とする方法として特許文献１などが開示されている。図２に概念図を示す。これは偏心レーザビームを回転させるものである。以下ビーム回転法と呼称する。レーザ加工ヘッド１は、レーザビームＬＢを集光するレンズ３と、この集光レンズからのレーザビームＬＢをこの集光レンズの光軸から偏心させる偏心用光学系としてのオプティカルフラット７と、このオプティカルフラット７を回転させるサーボモーター９と、アシストガスノズル１１などから構成されている。
【０００４】
前記集光レンズ３は中空円筒状の光学系支持部材１３の内径部にレンズホルダー１５を介して交換可能に螺着されている。また、光学系支持部材１３には集光レンズ３の下方位置にあってレーザビームＬＢを前記集光レンズ３の光軸から偏心させる偏心用光学系としてオプティカルフラット７が設けられている。前記オプティカルフラット７は中空の回転筒１９の上端部に集光レンズ３の光軸と適宜な角度に傾斜させて設けられている。そして、この回転筒１９は前記光学系支持部材１３の内径部に隔離して設けた上下のベアリング１７を介して回転自在に設けられており、回転筒１９のほぼ中間位置の外径部に従動プーリー２１が取り付けてられている。
【０００５】
前記光学系支持部材１３にはモーターブラケット２３が側方に張り出して設けてあり、このモーターブラケット２３に前記サーボモーター９の出力軸に設けた駆動プーリー２５と前記従動プーリー２１との間にはベルト２７が掛け回されている。なお、前記従動プーリー２１および駆動プーリー２５などには歯付きプーリーを使用するのが望ましい。
【０００６】
前記光学系支持部材１３の下端には前記オプティカルフラット７からのレーザビームを通過させると共に、アシストガスを同時に噴射させるアシストガスノズル１１が設けられている。また、このアシストガスノズル１１の上部には酸素、窒素または空気などのアシストガスおよび空気中の塵埃が前記オプティカルフラット７の方に侵入するのを防止するための光学的に透明なウィンド２９が取り付けてあり、このノズル１１においてウィンド２９の下方で側方位置には切断加工時に供給するアシストガス供給口３１が設けられている。
【０００７】
上記構成において、集光レンズ３からオプティカルフラット７に入射されたレーザビームＬＢは、回転筒１９の上端部に集光レンズ３の光軸５からＳだけ偏心した位置に集光照射することができる。偏心Ｓの大きさは次の式（１）によって与えられる。すなわち、オプティカルフラットの厚みをｄ、屈折率をｎ、オプティカルフラットへのレーザビームの入射角度をθとしたとき、
Ｓ＝ｄ×ｓｉｎ［θ−ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ）／ｎ）］／ｃｏｓ［ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θ）／ｎ）］      （１）
である。ただし、空間の屈折率は１とした。なお、入射角度θはレーザビームＬＢの光軸に垂直な面に対する傾斜角度と等しい。オプティカルフラットにおける偏心Ｓの発生の様子を図１２に示す。
【０００８】
さて、こうした状況にてサーボモーター９を回転させれば、オプティカルフラット７を支持した回転筒１９が回転するので、ワークＷの表面に集光されたレーザビームＬＢは前記光軸５を中心に半径Ｓにて回転することになる。すなわち、ビームはワークＷ上にて偏心Ｓを回転半径Ｓの円軌道を描く（ワークＷと加工ヘッド１が相対的に静止している場合）。この結果、カーフ幅が広がり、ドロスの排出性が向上することから限界板厚を拡大することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−３２８８７０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ビーム回転法ではワークＷに対して加工ヘッド１が相対的に動いている場合にはビームの軌跡はらせん状になる。ビームの軌跡は式（２）で与えられる。すなわち、時間ｔ、回転周波数ｆ、相対移動速度ｖのとき、
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である。ただし、進行方向をｘとした。
【００１１】
図３にワークＷ上方から見てレーザビームが反時計回り（式（２）にて角度が増える方向）に回転する場合のビームの軌跡を例示する。この場合、進行方向右側でビームの回転周速度が加工速度に加算されて加速され、進行方向左側では減算されて減速される。この結果、左右の切断面で加熱の度合いが大きく異なることになり、品質が大幅に異なってしまう。進行方向左側面は良好な切断面となるが、右側面では「面えぐれ」、「ドロス付着」などが発生する。実際の加工上、被加工物の片面を使用しない場合はよいが、歩留まり向上の観点でそのようなケースは少ないのが実情である。このため、ビーム回転法はこれまであまり普及していなかった。
【００１２】
したがって、本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、限界板厚の拡大が可能で、かつ、断面品質を左右対称とすることが可能なレーザ切断加工用ヘッドを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の要旨は、
（１）  酸素ガスなどのアシストガスをレーザ光と同軸で流しつつレーザ光を集光して金属の熱加工を行うレーザ加工ヘッドであって、加工ヘッド本体の上部にレーザビームを集光せしめる集光手段を設け、加工ヘッド本体の中間部に透明平行板を前記レーザ光の光軸に直交する面から所定の傾斜角度だけ傾斜させて回転することによりレーザビームを偏心回転させる回転手段を２段設け、加工ヘッド本体の下部に前記アシストガスを噴射するノズルを設けてなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
（２）  前記２段の回転手段として、１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転させることを特徴とする（１）に記載のレーザ加工ヘッド。
（３）  前記２段の回転手段として、レーザ加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として１段目と２段目の回転手段の位相角をそれぞれ９０°、−９０°、または−９０°、９０°とすることを特徴とする（２）に記載のレーザ加工ヘッド。
（４）  前記２段の回転手段として、レーザ加工ヘッドと被加工物との移動方向を基準として１段目と２段目の回転手段の位相角をそれぞれ０°、１８０°、または１８０°、０°とすることを特徴とする（２）に記載のレーザ加工ヘッド。
（５）  前記２段の回転手段を２組設けたことを特徴とする（１）に記載のレーザ加工ヘッド。
（６）  前記２組の回転手段のうち、１組の回転手段の１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転とし、他の１組の回転手段の１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし、同じ傾斜角度とし、かつ同じ回転数にて互いに逆回転させることを特徴とする（５）に記載のレーザ加工ヘッド。
（７）  前記２組の回転手段として、１組の回転手段の回転数を他の１組の回転手段の回転数の２倍とし、かつ、レーザ加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として１組の回転手段の１段目の位相角と２段目の位相角をそれぞれ９０°、−９０°、または−９０°、９０°とし、他の１組の回転手段の１段目と２段目の位相角をそれぞれ０°、１８０°、または１８０°、０°とすることを特徴とする（６）に記載のレーザ加工ヘッド。
である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のレーザ加工ヘッドの構成例を模式的に示す図である。図示するように、ヘッド構造としては、加工ヘッド本体１の上部にレーザビームＬＢを集光せしめる集光レンズ３を設け、加工ヘッド本体１の中間部に偏心レーザビームを回転させる手段１９を２段設け、加工ヘッド本体１の下部に酸素などのアシストガスを噴射するレーザ加工ノズル１２を設けてある。アシストガスは導入口６から供給される。
【００１５】
レーザ加工ヘッド１の中間部に設ける偏心レーザビームの回転手段１９は以下のようなものである。光軸に直交する面に対して所定の傾斜角度だけ傾斜して配置された透明な平行平板７をビームＬＢが通過すると屈折によって光軸がＳだけ平行シフトする。シフト量Ｓは上記式（１）による。そして透明板７を回転させればビームは入射前の光軸を中心としシフト分を回転半径として円軌道を描く（ワークＷと加工ヘッド１が相対的に静止している場合）。ワークＷに対して加工ヘッド１が相対的に動いている場合にはビームの軌跡はらせん状になる。透明板７の素材としてはＣＯ２レーザの場合には、ＺｎＳｅやＮａＣｌなどＣＯ２レーザの波長１０．６μｍでの吸収が少ないものが望ましい。ＹＡＧレーザを用いる場合は石英やＢＫ７などＹＡＧレーザの波長１μｍでの吸収が少ない素材が望ましい。
【００１６】
透明板の厚みは１段目と２段目とで同じとする。また、傾斜角度も同じとする。これは両者の偏心量を等しくするためである。逆に偏心量が等しくなるのであれば厚みと傾斜角が異なっていても良い。
位相角は加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として図１１のように定義する。なお、曲線上を移動する場合は接線方向を基準とする。例えば、ＮＣ装置の２軸データから合成方向を割り出し逐次電気的に自動補正をかけることができる。
【００１７】
本発明の特徴である２段回転装置の場合の軌道（ｘ，ｙ）は式（３）、式（４）にて与えられる。すなわち、１段目の傾斜角をθ１、位相角をφ１、２段目の傾斜角をθ２、位相角をφ２、光軸シフト量をＳ（１段目と２段目とで同じ）として、
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である。
【００１８】
まず、１段目の位相角をφ１＝９０°、２段目の位相角をφ２＝−９０°とした。このときビームの軌跡は、
（ｘ，ｙ）＝（−２×ｓｉｎ（２×π×ｆ×ｔ）＋ｖ×ｔ，０）                    （５）
となる。位相角を逆の設定とすると、
（ｘ，ｙ）＝（２×ｓｉｎ（２×π×ｆ×ｔ）＋ｖ×ｔ，０）                        （６）
となる。いずれにしても図４に示すように移動方向と一致した単振動となる。切断方向前後に振動するので軌道は左右対称である。しかし、この場合、前後振動によって板厚方向への加熱が促進されるもののカーフを拡大する効果はないので限界板厚の拡大効果はらせん軌道ほどではない。
【００１９】
より好ましい位相角の設定は、加工ヘッドと被加工物との相対移動方向を基準として１段目の位相角を０°、２段目の位相角を１８０°とすることである。このときビームの軌跡は、
（ｘ，ｙ）＝（ｖ×ｔ，２×ｓｉｎ（２×π×ｆ×ｔ））                （７）
となる。位相角を逆の設定とすると、
（ｘ，ｙ）＝（ｖ×ｔ，−２×ｓｉｎ（２×π×ｆ×ｔ））              （８）
となる。いずれにしてもこのときビームの軌跡は図５に示すように移動方向と直交した直線となる。したがって、移動時には図６に示すように正弦波状の左右対称軌道となる。この場合にはカーフを拡大する効果が得られるため限界板厚を拡大することができる。
【００２０】
透明板７を回転させる機構としては回転軸が中空となったサーボモータ１９を用いた。軸心の中空部分に透明板を所定の角度に傾けて配置する透明板ホルダー１８を設置した。このように中空のモータを用いることによりプーリーなどが不要であることから構造がコンパクトとなり、レーザ切断機の既存加工ヘッドとの交換が容易に可能となる。
集光レンズまたはミラーの焦点距離は１９０ｍｍとした。本加工ヘッドにて出力６ｋＷのＣＯ２レーザビームを集光し、鋼のレーザ切断を試みた。集光レンズへの入射ビーム径は２４ｍｍ、集光点でのスポットサイズは０．５ｍｍである。供試材はＳＳ４００材である。
透明平行板としてはＺｎＳｅを用い、板厚は共に３ｍｍとした。傾斜角度は水平に対し共に３°とした。レーザビームは鉛直に光軸を取り、ワークは水平に配置した。回転数は２０ｒｐｓとした。
ビームを駆動させない場合は最大切断板厚が２５ｍｍに限定されるが、上記正弦波状振動を与えた場合、板厚４０ｍｍに拡大した。また、左右の切断面は共に良好となった。
【００２１】
図７は本発明のレーザ加工ヘッドの別の構成例を模式的に示す図である。図示するように、加工ヘッド本体１の中間部に偏心レーザビームを回転させる手段１９を４段設けてある。図７で上から順に１段、２段、３段、４段とする。この構成にて１段目と２段目の透明平行板を同じ厚みとし同じ回転数にて互いに逆回転させると同時に、３段目と４段目の透明平行板を同じ厚みとし同じ回転数にて互いに逆回転させる。また、１段目と２段目の回転数を３段目と４段目の回転数の２倍とし、かつ、ヘッドの移動方向を基準として１段目の位相角を９０°、２段目の位相角を−９０°、３段目の位相角を０°、４段目の位相角を１８０°とした。このときビームの軌跡は、１段目と２段目の透明板によるシフト量をＳ１、３段目と４段目の透明板によるシフト量をＳ２として、
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となる。ただし、１、３段目を反時計回り、２、４段目を時計回りとした（以下同様）。また、３段目と４段目の位相角を逆の設定とすると、
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となる。いずれにしてもビームの軌跡は、側面加速タイプの８の字にすることができる。つまり、切断線の左右にてビームの駆動による合成速度は左右とも加速されることになる。なお、１段目と２段目をペア、３段目と４段目をペアとして、設置の順序を入れ替えても良い。図８に軌跡の例を示す。
【００２２】
また、１段目と２段目の位相角も逆にした場合、ビームの軌跡は、
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となる。また、３段目と４段目の位相角を逆の設定とすると、
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となる。いずれにしてもビームの軌跡は、側面減速タイプの８の字にすることができる。つまり、切断線の左右にてビームの駆動による合成速度は左右とも減速されることになる。なお、１段目と２段目をペア、３段目と４段目をペアとして、設置の順序を入れ替えても良い。図９に軌跡の例を示す。
【００２３】
透明板の厚みは１段目と２段目、３段目と４段目とで同じとする。また、傾斜角度についても１段目と２段目、そして、３段目と４段目とで同じとする。これは上記２段回転装置の場合と同様に上下２枚組における偏心量を等しくするためである。このことが肝要であり、逆に偏心量が等しくなるのであれば厚みや傾斜角、あるいは透明板の素材が異なっていても良い。
透明平行板としてはＺｎＳｅを用い、板厚はすべて３ｍｍとした。傾斜角度は水平に対しすべて３°とした。回転数は１段目と２段目を２０ｒｐｓ、３段目と４段目を１０ｒｐｓとした。
図８のケースでも図９のケースでも左右の切断面は共に良好となった。また、限界板厚はビームを駆動させない場合は６ｋＷにて最大切断板厚が２５ｍｍのところが、上記８の字振動を与えた場合、板厚４０ｍｍに拡大した。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明した本発明に係るレーザ加工ヘッドによれば、左右対称の切断面と限界板厚の拡大を同時に達成でき、厚板切断に適したレーザ加工用ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工ヘッドを模式的に示す断面図。
【図２】従来のレンズで集光するビーム回転式レーザ加工ヘッドを模式的に示す断面図。
【図３】ビーム回転法によるビームの軌跡を模式的に示す断面図。
【図４】前後振動を模式的に示す図。
【図５】横振動を模式的に示す図。
【図６】正弦波状振動を模式的に示す図。
【図７】本発明のレーザ加工ヘッドの別の構成例を模式的に示す図。
【図８】加速型８の字軌跡を模式的に示す図。
【図９】減速型８の字軌跡を模式的に示す図。
【図１０】従来のレンズで集光するレーザ加工ヘッドを模式的に示す断面図。
【図１１】位相角の定義を説明する図。
【図１２】傾斜透明平行平板による光軸シフトを模式的に示す図。
【符号の説明】
１  レーザ加工ヘッド              ３  集光レンズ（集光手段）
５  透明板７のないときの光軸      ６  ガス導入口
７  レーザ光波長にて透明な平行平板
９  サーボモータ                  １０  連結筒
１１  アシストガスノズル          １２  アシストガスノズル
１３  光学系支持部材              １５  レンズホルダー
１７  ベアリング                  １８  透明板ホルダー
１９  中空サーボモータ（回転手段）
２１  従動プーリー                ２３  モータブラケット
２５  駆動プーリー                ２７  ベルト
２９  光学的に透明なウィンド      ５４  先端チップ
５５  Ｏリング                    ＬＢ  レーザビーム
Ｗ  ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004283873.tif 000017
【図１０】
2004283873.tif 000018
【図１１】
2004283873.tif 000019
【図１２】
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