(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集光照射して前記エッジ部にＲ面取り加工を実施するのに適したレーザ加工ヘッドにして、シールドガス噴射用ノズルとレンズマウントに支持された集光レンズとを備え、前記シールドガス噴射用ノズルに前記シールドガスを加工部以外の方向へ放出する複数の小径穴を設けた放熱部からなるノズル冷却手段を設け、前記レンズマウントの少なくとも下面を高反射率の鏡面仕上げに形成すると共に前記ノズルの内外にレーザ光に対して高反射率を有するニッケルクロムメッキを施し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記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザによるＲ面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に、食品加工機械業界ではステンレス鋼板の薄板が多く使用されており、レーザ切断された部材端部で作業者が怪我をしない様に部材端部の面取り加工が行われている。この面取り加工は、通常はヤスリまたはサンダーなどを用いて人手によって行われている。
【０００３】
また、上述の面取り加工をレーザで行う技術もある。例えば、本願出願人の出願である特開平１１−１３８２８３号公報には、マグネシュウム合金をレーザ切断したときに生じるばり（かえり）の除去および切断端面の溶融仕上げ方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の人手による面取り作業は、手間がかかり製品コストの増加につながる上に作業環境を粉塵で汚染する。また、人手による目視作業のため面取り量が不均一となり製品の価値を低下させるという問題もある。
【０００５】
特開平１１−１３８２８３号に開示される方法は、切断端面を溶融仕上げする前に前工程として部材表裏からのケービング加工または面取り加工等が必要でありやはり製造コストが増加する。
【０００６】
本発明は上述の如き問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、高生産性、高品質、低コストでかつ品質が安定したレーザによるＲ面取り加工方法および同方法の実施に適したレーザ加工ヘッドを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述課題を解決する手段として請求項１に記載のレーザ加工ヘッドは、被加工材端部のエッジ部にレーザ光を集光照射して前記エッジ部にＲ面取り加工を実施するのに適したレーザ加工ヘッドにして、シールドガス噴射用ノズルとレンズマウントに支持された集光レンズとを備え、前記シールドガス噴射用ノズルに前記シールドガスを加工部以外の方向へ放出する複数の小径穴を設けた放熱部からなるノズル冷却手段を設け、前記レンズマウントの少なくとも下面を高反射率の鏡面仕上げに形成すると共に前記ノズルの内外にレーザ光に対して高反射率を有するニッケルクロムメッキを施したことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２に記載のレーザ加工ヘッドは、請求項１記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載のレーザ加工ヘッドは、請求項２記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記放熱部は前記ノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した上段の放熱部と、該上段の放熱部の下に前記上段の小径穴の配置と位相をずらして設けたノズルの内部から外部に連通する複数の小径穴を前記ノズルの中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配した下段の放熱部とからなることを要旨とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面によって説明する。
【００１４】
図１はレーザ加工機（図示省略）によって板金素材から製品（被加工材）Ｗとスクラップ材Ｓとにレーザ切断された状態において、製品（被加工材）Ｗのエッジを本発明に係るＲ面取り加工方法で加工する状況を示したものである。
【００１５】
さて、図１に示す様に、レーザ発振器（図示省略）からのレーザ光ＬＢは、レーザ加工ヘッド１に設けた集光レンズ３によって製品（被加工材）Ｗ上の所望の高さに焦点を合わせることが可能に設けてあり、レーザ光の照射位置はレーザ加工ヘッド１を後述の制御装置１９で制御することによって任意の位置に移動位置決め自在である。
【００１６】
前記集光レンズ３の下方には、シールドガスＳＧまたはアシストガスＡＧを噴射するためのノズル５が設けてある。なお、集光されたレーザ光ＬＢもこのノズル５のノズル口から製品（被加工材）Ｗ上に照射される様になっている。
【００１７】
上述のシールドガスＳＧは素材を溶接または溶融する場合に大気中の酸素と素材とが化学反応するのを阻止するためのものであり、不活性ガスである窒素ガスまたはアルゴンガスなどが使用される。
【００１８】
一方、アシストガスＡＧは素材を切断加工する場合に切断部の酸化反応を促進させたり、溶融した金属を加工部から下方へ排除する目的で用いられるものであり酸素、窒素またはエアー等が使用されている。
【００１９】
上述のレーザ加工ヘッド１を用いて製品（被加工材）Ｗのエッジ７をＲ面取りする方法について加工条件等の数値を具体的に挙げて説明する。
【００２０】
始めに、Ｒ面取り加工の基本的条件は集光したレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を製品（被加工材）Ｗの上方の適宜な高さＨに設定すると共に、集光位置を切断面から製品の内側方向（図１では左方向）へ適宜な距離Ｌだけオフセット（Offset）して設定する。
【００２１】
この状態で製品（被加工材）Ｗにレーザ光ＬＢを照射することによって製品（被加工材）Ｗの表面側のエッジ７の部分が溶融し、鋭利なエッジ７が溶融金属の表面張力の作用によってＲ面取り９された形状に凝固する。  そして、レーザ加工ヘッド１と製品（被加工材）Ｗとを適宜な速度でエッジ７に沿って相対的に移動させることによりＲ面取り加工が進行する。
【００２２】
上述の焦点ＦＰの位置Ｈとオフセット量Ｌとは安定したＲ面取り加工を行う上で密接な関係がある。さらに、シールドガスＳＧの圧力または流量も良好なＲ面取り加工を行う上で関係している。
【００２３】
Ｒ面取り加工の品質とシールドガスＳＧの圧力（または流量）との関係は実験の結果図２に示す様になっている。
【００２４】
すなわち、シールドガスＳＧの流量は、標準状態（0℃,1atm＝0.101325Mpa）において約40〜50[Nl/min]（ノズル径φ3）、圧力では0．005[Mpa] 前後の範囲に保持するのが最良であることが判明している。
【００２５】
図２に示す様に、圧力０（流量０）では、空気中の酸素によって加工部が黒く焦げてしまう。圧力が0.010Mpa の前後ではＲ面取り加工部９の部分的な波打ちやエッジ７の溶融不良を生じＲの大きさが減少することがある。
【００２６】
また、圧力がほぼ0.013Mpa以上になると、溶融部の波打ち現象の度合いがより強くなる。
【００２７】
なお、ノズル５の口径はφ３以上にするのが望ましい。また、加工が安定しているときには、プラズマ、粉塵、火花、および加工音はほとんど発生せず、ノズル５や集光レンズ３が汚れる心配が無い。
【００２８】
次に、下記表１の加工条件によって安定加工範囲を調べた結果を表２に示す。
【００２９】
【表１】
0004812172.tif 000002
【表２】
0004812172.tif 000003
表２において、ＦＰは被加工材Ｗ上の焦点位置(mm)を示し、「OFFSET  0.1」は、レーザ光中心を製品端面から製品側へ0.1mmオフセットしたことを意味する。また、表２中の記号の意味は次の通り。
【００３０】
〇：良好，ｋ：焦げ付き，ＳＲ： 面取りＲが小（0.2mm以下），Ｈ：面取りＲが変形。
【００３１】
図３は、表２結果をオフセット量Ｌをパラメータとして焦点位置ＦＰ［mm］と面取りＲ［mm］の関係を示したグラフであり、横軸に焦点位置ＦＰ［mm］をとり、縦軸に面取りＲ［mm］の大きさをとってある。図３のグラフにおいて、「OFFSET  0.1」の曲線と「OFFSET 0」の曲線に挟まれる領域が良好なＲ面取り加工となるための加工条件を表している。
【００３２】
上述の結果は、焦点（最小スポット）ＦＰを製品（被加工材）Ｗの表面または表面直近に合わせると、レーザ光のパワー密度が大ききすぎて加工部に焦げが発生し、焦点ＦＰを製品（被加工材）Ｗの上方数ミリ(4mm〜7mm)の位置にデフォーカス (defocus)すると、すなわち焦点をずらすと、焦げの無い安定したＲ面取り加工が可能になることを示している。かつ、レーザ光の照射位置を切断端面から製品の内側方向へ0.1mmオフセットし、その位置から±0.1mmの範囲内でずれても、Ｒ面取り品質は許容範囲内にあることを示している。
【００３３】
なお、一般的に形状曲線を加工するときは、形状曲線の接線の傾きの変化が不連続のところや微小な曲率を有する部分では、レーザ加工機における加工速度は制御装置に与えた指令速度よりも実際の加工速度の方が小さくなる傾向があり、特に指令速度が大きいほどこの傾向が大きくなる。
【００３４】
従って、レーザ加工機のレーザ出力が同一で加工速度だけがが低下すると、加工部が焦げたりあるいは溶融量が増加したりするので、速度変化に対応したレーザ出力制御を行っている。
【００３５】
図４に示す如く、レーザによるＲ面取り加工においては加工中における加工部からの戻り光ＲＬが多く、この戻り光ＲＬによるノズル５、ノズル５に設けたギャップ検出用の静電容量センサー（図示省略）および集光レンズ３等の温度上昇を防止するための温度上昇防止手段が必要である。
【００３６】
上述の温度上昇防止手段として、前記レーザ加工ヘッド１には加工ヘッド１の中で特に熱に弱いＺnＳe集光レンズ３を支持するレンズマウント１１全体または下面１１ａに炭酸ガスレーザ光に対する反射率の高い金属メッキ、例えば金メッキ、ニッケルクロムメッキ等を施し、このメッキ面を鏡面に仕上げに加工して戻り光ＲＬの吸収を抑えるようにしてある。これによりレンズマウント１１の温度が４０度以上に上昇することを防止することができる。
【００３７】
また、ノズル５の温度上昇防止手段については、鏡面仕上げの金属メッキをノズルに施すのみでは、ノズル５の温度は１００℃以上に上昇し、センサーコーン１３内の部品であるＯリングや絶縁用樹脂の使用可能最高温度を超えてしまう可能性があるため、さらにノズル外部から冷却ガス１５を吹き付けてノズル温度を１００℃以下にするなどの温度上昇防止手段をとることが望ましい。
【００３８】
本発明においては、上述の如きノズル外部からノズル５を冷却する温度上昇防止手段の代わりに、図５、図６および図７に示す様に、ノズル５の内部から外部に連通するほぼ水平方向の放射状の小径穴１７を複数個設けた放熱部（１９、１９’）を重ねて設け、この小径穴１７を介して加工に使用する前記シールドガスＳＧを大気中へ放出することによりノズル５の温度上昇を防止する手段が設けてある。
【００３９】
なお上述の小径穴１７を設ける場合には、加工部のシールドガスが攪乱されない様に、かつ加工部にシールドガス以外の物質を巻き込まない様に、小径穴１７の方向およびその穴数に配慮しなくてはならない。
【００４０】
実施例では、ノズル５の内部から外部に連通する直径1.0mmの小径穴１６個をノズル５の中心軸に対してほぼ水平にかつ放射方向へ等配（３６０度を１６等分）した上段の放熱部１９を設けると共にこの放熱部１９の下に同様な放熱部１９’が設けてある。なお、上段の放熱部１９と下段の放熱部１９’とで穴が重ならないように、上段の穴の配置と下段の穴の配置の位相を１１．２５度ずらしてある。
【００４１】
上述の如く放熱部を２段にし、かつ上段の放熱部と下段の放熱部とで穴が重ならないように上段の穴の配置と下段の穴の配置の位相をずらしたので、ノズル下方の高温部から上方の低温部への熱流が下段の冷却用の穴の間を抜けた後、上段の冷却用の穴にぶつかるため冷却効率が向上し、ノズル上方のセンサーコーン部への熱が伝わりにくくなる。
【００４２】
また、ノズル５の内壁および外部の表面には、ノズル５の材質である銅が錆びたり傷ついたりして反射率が低下するのを防止するために、レーザ光に対する反射率が大きいニッケルクロムメッキを施してある。なお、ニッケルクロムメッキに代えて硬質クロムメッキまたは金メッキ等を施しても構わない。
【００４３】
図４に示す様に前記ノズル５とレンズマウント１１には、例えば熱電対などの温度検出センサー２１が設けてあり、この温度検出センサー２１からの信号がレーザ加工ヘッド１を制御する制御装置２３に入力される様に設けてある。
【００４４】
上述の制御装置２３はノズル５の温度およびレンズマウント１１の温度を常時監視しており、例えばノズル５の温度が１００℃以上、またはレンズマウント１１の温度が５０℃以上になったら制御装置のディスプレー（図示省略）上に「ノズル温度上昇」、「レンズマウント温度上昇」などのアラームを表示すると同時に加工が一時停止される様に設けてある。
【００４５】
従って、ノズル５またはレンズマウント１１が設定温度以上に達し、集光レンズおよびセンサーコーン１３内の部品であるＯリングや絶縁用樹脂が損傷するのを未然に防ぐことができる。
【００４６】
アラームが発生したらオペレータはノズル５および集光レンズ３をチェックし、清掃または必要によっては修理交換等を行いＲ面取り加工を再開することができる。なお前記制御装置２３はレーザ発振器２５の出力およびレーザ加工ヘッド１の位置決め用モータ２７等を総括的に制御するものである。
【００４７】
次に、温度上昇防止手段としてφ１．０の穴１６個からなる放熱部１９を１段設けたノズル５を装着したレーザ加工ヘッド１と、φ１．０の穴１６個からなる放熱部１９を２段設けたノズル５を装着したレーザ加工ヘッド１とを用いてＲ面取り加工を実施した場合の温度抑制効果について下記試験条件で試験した結果について説明する。
【００４８】
［試験条件］
材質：ＳＵＳ３０４板厚１mm、レンズ焦点距離：５インチ、ノズル口径：φ３、ノズルギャップＧ：２．５mm、オフセットＬ：０．１mm、焦点位置ＦＰ：５mm、加工速度：Ｆ10000、指令出力：Ｓ1500、デューティ：ＣＷ、ガス：窒素、流量：120[Nl/min]、ガス圧：0.005[Mpa]、測定用温度計：不可逆性サーモラベル上述の試験条件で連続加工を行い、時間の経過と共にノズル温度（VI-VI断面の真上）がどの様に変化するかを調べた結果を図８に示す。
【００４９】
図８のグラフから次のことがわる。（１）放熱部が２段のノズル温度上昇の飽和温度は６０℃である。（２）放熱部が１段のノズルに比較して、放熱部が２段のノズルでは飽和温度が約２５℃低下する。（３）放熱部なしでノズル口径φ３の標準ノズルと比較すると約５０℃低下する。
【００５０】
次に、ガス圧力とガス流量との関係の実測値は図９に示す様になっている。図９から、放熱部が２段のノズルは１段のノズルより流量が２〜３割増加する程度であることがわかる。これは、例えばガス圧力が0.005[Mpa]においては120[Nl/min]であり、軟鋼の厚板をアシストガスの酸素を用いてレーザ切断する場合のガス流量とほぼ同等である。
【００５１】
これは、溶接でもレーザ面取り加工でもシールドガスの圧力が切断加工に比較して小さいので、ノズル口以外に小口径の穴を複数個設けても全体でのガス消費量はさほど多くならないのである。
【００５２】
次に、放熱部が２段のノズルにおける消費ガス流量と、ノズル温度上昇における飽和温度との関係についての測定結果について説明する。加工条件は前記「試験条件」において、加工時間を８０秒とし、ガス消費流量を６０[Nl/min]〜１６０[Nl/min]の範囲で変化させて飽和温度との関係を調べた結果をグラフにしたのが図１０である。
【００５３】
図１０からガス流量を１６０[Nl/min]まで増加させると、ノズルの飽和温度は４５℃まで下降する。一方、ガス流量を６０[Nl/min]まで減少させると、飽和温度は７５℃まで上昇する。
【００５４】
このように、同一のノズルであってもガス流量の増減により飽和温度が大きく左右される。従って、ガス流量の設定は加工が安定している範囲であっても、低めに設定するのは避けた方がよいことが理解される。
【００５５】
【発明の効果】
請求項１、請求項２の発明によれば、加工部からの戻り光（反射光）が特に多い面取り加工において、集光レンズを保持するレンズマウントが戻り光（反射光）で加熱されるのを抑えて熱に弱い集光レンズを保護することができる。
【００５９】
また、ノズルにレーザ光に対する反射率の高いニッケルクロムメッキ等の金属メッキを施すと共に、シールドガスを利用してノズルを冷却し、ノズル部からセンサーコーンへの熱の伝導を抑制したので、センサーコーン内の部品であるＯリングや絶縁用の樹脂の温度を使用最高温度以下に保持することができる。
【００６０】
さらに、シールドおよび冷却に使用するガスの消費量は軟鋼の厚板をレーザ切断する場合のガス流量とほぼ同等でありランニングコストを低く抑えることができる。また、標準ノズルに加えてシールドガスによる冷却機構を設けたノズルを部品として追加するだけなので設計コストが少ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＲ面取り加工方法の説明図。
【図２】Ｒ面取り加工の品質とシールドガスＳＧの圧力（または流量）との関係を示した図。
【図３】オフセット量Ｌをパラメータとして焦点位置ＦＰ［mm］と面取りＲ［mm］の関係とを示したグラフ。
【図４】本発明に係るレーザ加工ヘッドの説明図。
【図５】図４におけるＰ部拡大図。
【図６】図５におけるVI-VI断面図。
【図７】図５におけるVII-VII断面図。
【図８】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、時間の経過とノズル温度（VI-VI断面の真上）変化を示した図。
【図９】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、ガス圧力とガス流量との関係を示した図。
【図１０】本発明に係るレーザ加工ヘッドの試験結果で、ガス消費流量と飽和温度との関係を示した図。
【符号の説明】
１  レーザ加工ヘッド
３  集光レンズ
５  ノズル
７  エッジ
９  Ｒ面取り
１１  レンズマウント
１１ａレンズマウント下面
１３  センサーコーン
１５  冷却ガス
１７  小径穴
１９、１９’  放熱部
２１  温度検出センサー
２３  制御装置
２５  レーザ発振器
２７  レーザ加工ヘッドの位置決め用モータ
ＬＢ  レーザ光
ＲＬ  戻り光（反射光）
Ｓ  スクラップ材
ＳＧ  シールドガス
Ｗ  製品（被加工材）
【図１】
0004812172.tif 000004
【図２】
0004812172.tif 000005
【図３】
0004812172.tif 000006
【図４】
0004812172.tif 000007
【図５】
0004812172.tif 000008
【図６】
0004812172.tif 000009
【図７】
0004812172.tif 000010
【図８】
0004812172.tif 000011
【図９】
0004812172.tif 000012
【図１０】
0004812172.tif 000013