特開 2024-172072 レーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172072

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】レーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/142 20140101AFI20241205BHJP

   B23K 26/364 20140101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

B23K26/142

B23K26/364

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023089555

(22)【出願日】2023-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】玉城 怜士

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AD01

4E168CA06

4E168CB04

4E168CB22

4E168EA15

4E168FC04

(57)【要約】

【課題】レーザ加工によって生じるスパッタを的確に吹き飛ばすことが可能なレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工装置１は、ワーク６０の表面を走査しながらワーク６０にレーザ加工を施すことによってワーク６０に加工溝を形成するレーザ照射装置２と、レーザ照射装置２によるレーザの照射範囲において気体Ｗを噴射するノズル４０と、ノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更するモータ１と、制御装置１０とを備える。制御装置１０は、レーザ照射装置２の照射位置に対応してモータ４１を制御しノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ワークの表面を走査しながら前記ワークにレーザ加工を施すことによって前記ワークに加工溝を形成するレーザ照射装置と、
前記レーザ照射装置によるレーザの照射範囲において気体を噴射する噴射装置と、
前記噴射装置における気体の噴射位置を変更するアクチュエータと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記レーザ照射装置の照射位置に対応して前記アクチュエータを制御し前記噴射装置における気体の噴射位置を変更する、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記噴射装置から噴射される気体の流速を変更する調整機構をさらに備え、
前記制御装置は、前記レーザ照射装置の照射位置に対応して前記調整機構を制御し前記噴射装置における気体の流速を変更する、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

記憶装置をさらに備え、
前記記憶装置は、前記レーザ照射装置の照射位置に対応する気体の噴射位置に関する第１データを記憶し、
前記制御装置は、前記第１データに基づいて前記アクチュエータを制御する、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

記憶装置をさらに備え、
前記記憶装置は、前記レーザ照射装置の照射位置に対応する気体の流速に関する第２データを記憶し、
前記制御装置は、前記第２データに基づいて前記調整機構を制御する、請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記レーザ照射装置の照射位置を検出するセンサをさらに備え、
前記制御装置は、前記センサの出力値に基づいて前記アクチュエータを制御する、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ加工装置に関し、より特定的には、レーザ加工装置におけるスパッタを除去する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ワークに対してレーザ光により加工溝を形成するレーザ加工装置が知られている。特許第７０８１０５０号公報（特許文献１）には、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）で形成されるワークをレーザ加工する際に発生するプルーム（高温の蒸気）を除去することで熱の影響を低減する技術が開示されている。特許第７０８１０５０号公報（特許文献１）に開示の技術では、ノズル部に細かな加工（例えば、ノズル部の複数の流路において流路毎に断面形状を変更すること等）を施し位置に応じて噴射する気体の流速を変化させることによって、レーザ照射範囲のプルームを効率的に除去している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第７０８１０５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、ワークに金属が用いられる場合、レーザ加工による加工溝の形成によって加工溝に溶融した金属であるスパッタが生じることがある。スパッタは、プルームと異なり重いため加工溝に溜まってしまうことがある。スパッタの発生は、溶接において品質の低下の原因となる。例えば、加工溝に溶融した樹脂が入り込み金属と樹脂とを接合するような異材接合において、スパッタが加工溝に付着して凝固してしまうことによって接合強度が低下してしまう。特許第７０８１０５０号公報（特許文献１）に開示の技術は、プルームを効率的に除去することはできるものの体積の大きいスパッタの発生を考慮していないため、的確にスパッタを吹き飛ばすことは難しい。

【0005】

本開示の目的は、レーザ加工によって生じるスパッタを的確に吹き飛ばすことが可能なレーザ加工装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のレーザ加工装置は、ワークの表面を走査しながらワークにレーザ加工を施すことによってワークに加工溝を形成するレーザ照射装置と、レーザ照射装置によるレーザの照射範囲において気体を噴射する噴射装置と、噴射装置における気体の噴射位置を変更するアクチュエータと、制御装置とを備える。制御装置は、レーザ照射装置の照射位置に対応してアクチュエータを制御し噴射装置における気体の噴射位置を変更する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、レーザ照射装置の照射位置に対応して気体の噴射位置が変更されるため、レーザ加工によってスパッタが発生する位置に気体を吹き出すことができる。これによって、レーザ加工によって生じるスパッタを的確に吹き飛ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示のレーザ加工装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】ノズルによる気体の噴射について説明するための図である。

【図3】制御装置が実行する制御内容を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0010】

図１は、本開示のレーザ加工装置１の構成を概略的に示す図である。レーザ加工装置１は、レーザ照射装置２と、ノズル４０と、モータ４１と、制御装置１０とを備える。レーザ照射装置２は、図示しないテーブルに設置されたワーク６０に対してレーザ加工を行なうための装置である。レーザ照射装置２は、ガルバノスキャナ２０と、レーザ発振装置３０とを含む。図１中の座標軸は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応している。

【0011】

ガルバノスキャナ２０は、レンズ２１と、スキャンミラー２２と、モータ２３と、エンコーダ２４と、本体部２７とを含む。スキャンミラー２２は、レーザ発振装置３０から受けるレーザ光Ｌを反射してレンズ２１へ出力する。スキャンミラー２２は、アクチュエータであるモータ２３によって向きを変更可能に構成されており、レンズ２１を通じて照射されるレーザ光Ｌの照射位置を変更することができる。スキャンミラー２２は、例えば、照射位置をＸ方向に変更可能なＸスキャンミラーと、照射位置をＹ方向に変更可能なＹスキャンミラーとを含む。

【0012】

モータ２３は、例えば、サーボモータで構成され、Ｘスキャンミラーを回転駆動するＸ軸モータと、Ｙスキャンミラーを回転駆動するＹ軸モータとを含む。モータ２３には、回転位置を検出するセンサであるエンコーダ２４が接続されている。ガルバノスキャナ２０は、本体部２７にレンズ２１、スキャンミラー２２、モータ２３、およびエンコーダ２４が内蔵されているが、図面上ではモータ２３およびエンコーダ２４を本体部２７の外側に図示している。ガルバノスキャナ２０は、図１に示すようにワーク６０のＸＹ平面上でレーザ光Ｌを走査することによってワーク６０に加工溝を形成する。

【0013】

ノズル４０は、気体Ｗを噴射する噴射装置として機能し、気体Ｗの流速を調整する調整機構である流量調整弁４２を介して気体Ｗの供給源であるボンベ５０と接続されている。なお、気体Ｗの供給源は、ボンベ５０以外の構成であってもよく気体Ｗを供給可能な装置であればどのような装置であってもよい。ボンベ５０には、例えば、圧縮した空気が充填されている。なお、気体Ｗは、空気以外であってもよく、例えば、アルゴン等の不活性ガスであってもよい。

【0014】

流量調整弁４２は、開度が変更可能な構造である。流量調整弁４２は、制御装置１０からの信号に基づいてボンベ５０から送られてくる気体Ｗの流量を調整する。流量調整弁４２は、例えば、開度の調整が可能なバルブ、電磁弁等により構成される。ノズル４０は、アクチュエータであるモータ４１と接続されている。

【0015】

モータ４１は、例えば、ステッピングモータで構成されている。なお、モータ４１は、サーボモータで構成されてもよい。ノズル４０およびモータ４１は、支持部４７に固定されている。支持部４７は、ガルバノスキャナ２０の本体部２７と接続されている。支持部４７は、例えば、ロボットアームの先端に接続される。

【0016】

制御装置１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１と、メモリ１２（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））と、各種信号を入出力するための図示しない入出力装置等を含んで構成される。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置１０の処理手順が記されたプログラムである。制御装置１０は、これらのプログラムに従って、各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

【0017】

制御装置１０は、レーザ発振装置３０を制御することによって、ガルバノスキャナ２０にレーザ光Ｌを照射する。制御装置１０は、モータ２３を制御することによってスキャンミラー２２の反射角度を変更する。制御装置１０は、モータ４１を制御することによってノズル４０の位置を変更する。制御装置１０は、流量調整弁４２を制御し気体Ｗの流量を調整することによって、ノズル４０から噴射される気体Ｗの流速を調整する。

【0018】

次に、ノズル４０による気体Ｗの噴射について説明する。図２は、ノズル４０による気体の噴射について説明するための図である。ノズル４０は、ワーク６０のＸＹ平面上において気体Ｗを噴射可能である。制御装置１０は、エンコーダ２４からの信号に基づきレーザ光Ｌの照射位置を特定する。制御装置１０は、特定した照射位置に対応してモータ４１を制御しノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更する。

【0019】

メモリ１２には、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの噴射位置に関する位置データが記憶されている。図２に示すように、位置データの一例として、メモリ１２には、ワーク６０上のＡ１～Ａ３，Ｂ１～Ｂ３，Ｃ１～Ｃ３の各位置に関する位置データが記憶されている。制御装置１０は、位置データに基づいてモータ４１を制御しノズル４０の位置をレーザ光Ｌの照射位置に対応した位置に変更する。

【0020】

制御装置１０は、噴射位置の変更に加え気体Ｗの流速を変更可能である。制御装置１０は、エンコーダ２４からの信号に基づきレーザ光Ｌの照射位置を特定する。制御装置１０は、特定した照射位置に対応して流量調整弁４２を制御しノズル４０における気体Ｗの流速を変更する。

【0021】

メモリ１２には、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの流速に関する流速データが記憶されている。図２に示すように、流速データの一例として、メモリ１２には、ワーク６０上のＡ１～Ａ３，Ｂ１～Ｂ３，Ｃ１～Ｃ３の各位置に関する流速データが記憶されている。例えば、ノズル４０からの距離は、Ａ１＜Ａ２＜Ａ３の順で遠くなる。制御装置１０は、位置が近い程流速を遅くし、位置が遠い程流速を速くする。制御装置１０は、流速データに基づいて流量調整弁４２を制御しレーザ光Ｌの照射位置に対応してノズル４０から噴射される気体Ｗの流速を変更する。

【0022】

制御装置１０は、レーザ光Ｌによる加工溝がＡ１、Ａ２、Ａ３の位置に形成される場合、各位置に対応するようにノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更するとともに、位置Ａ１＜Ａ２＜Ａ３の順で流速が速くなるように流量調整弁４２を制御すればよい。制御装置１０は、レーザ光Ｌによる加工溝がＢ１、Ｂ２、Ｂ３の位置に形成される場合、各位置に対応するようにノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更するとともに、位置Ｂ１＜Ｂ２＜Ｂ３の順で流速が速くなるように流量調整弁４２を制御すればよい。制御装置１０は、レーザ光Ｌによる加工溝がＣ１、Ｃ２、Ｃ３の位置に形成される場合、各位置に対応するようにノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更するとともに、位置Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３の順で流速が速くなるように流量調整弁４２を制御すればよい。

【0023】

図２に示すように、制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射位置に対応してノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更することができるため、レーザ光Ｌの走査に対応した的確な位置に気体Ｗを噴出することができる。制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射位置に対応してノズル４０における気体Ｗの流速を変更することができる。具体的に、制御装置１０は、ノズル４０とレーザ光Ｌとの間の距離が近い点においては遠い点よりも流速を遅くし、ノズル４０とレーザ光Ｌとの間の距離が遠い点においては近い点よりも流速を速くする。このようにすれば、気体Ｗを一定の強さで加工溝に噴射することができるため、どの位置においても体積の大きいスパッタを加工溝から的確に吹き飛ばすことができる。

【0024】

仮にノズル４０を固定した場合は、加工溝の形成位置によって気体Ｗの強さが異なると考えられる。それに対し、レーザ加工装置１は、上記のようにノズル４０を制御することによって、レーザ光Ｌの走査に対応した位置に対して一定の強さの気体Ｗを噴射することができる。これによって、レーザ光Ｌの照射により加工溝に生じる体積の大きいスパッタを的確に吹き飛ばすことができる。

【0025】

次に、制御装置１０が実行する制御内容について説明する。図３は、制御装置１０が実行する制御内容を示すフローチャートである。図３のフローチャートの処理は、制御装置１０の制御におけるメインルーチンから、サブルーチンとして繰返し呼び出されて実行される。制御装置１０は、まずステップＳ（以下、単に「Ｓ」と示す）１において、ワーク６０に形成する加工溝に対応するレーザ光Ｌの出力値をレーザ発振装置３０に設定する処理を実行する。

【0026】

次いで、制御装置１０は、ワーク６０に形成する加工溝に対応するレーザ光Ｌの照射位置をレーザ発振装置３０に設定する処理を実行する（Ｓ２）。制御装置１０は、例えば、加工溝をワーク６０に対してどのように形成するかを示すデータをレーザ発振装置３０に送信する。次いで、制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射位置に対応した気体Ｗの噴射位置を設定する（Ｓ３）。具体的に、制御装置１０は、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの噴出位置に関する噴出データに基づいてモータ４１が駆動するように設定する。

【0027】

次いで、制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射位置に対応した気体Ｗの流速を設定する（Ｓ４）。具体的に、制御装置１０は、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの流速に関する流速データに基づいて流量調整弁４２によって気体Ｗの流量が変更されるように設定する。

【0028】

次いで、制御装置１０は、Ｓ３，Ｓ４の設定に基づいて、レーザ光Ｌの設定に対応する気体Ｗの噴射を実行する（Ｓ５）。次いで、制御装置１０は、レーザ照射装置２によってワーク６０に対してレーザ光Ｌの照射を実行する（Ｓ６）。次いで、制御装置１０は、センサであるエンコーダ２４の出力値からワーク６０における実際のレーザ光Ｌの照射位置を検出する（Ｓ７）。

【0029】

次いで、制御装置１０は、Ｓ７におけるレーザ光Ｌの実際の照射位置に基づいて、スパッタを加工溝から除去可能な適切な位置および流速で気体Ｗが噴射されるようにノズル４０を制御し、気体Ｗの噴射を調整する（Ｓ８）。ここで、制御装置１０は、Ｓ８の処理においてレーザ光Ｌの実際の照射位置を検出した際、実際の照射位置から次に照射する位置を算出し、レーザ光Ｌの照射に遅れずに気体Ｗの噴射が追従されるようにするための調整を実行している。これによって、制御装置１０は、レーザ光Ｌの走査に追従して好適に気体Ｗを噴射することができる。次いで、制御装置１０は、レーザ加工が終了したか否かを判定する（Ｓ９）。制御装置１０は、Ｓ９においてレーザ加工が終了していないと判定した場合（Ｓ９のＮＯ）、Ｓ７以降の処理を繰返す。制御装置１０は、レーザ加工が終了したと判定した場合（Ｓ９のＹＥＳ）、レーザ光Ｌの照射を停止する（Ｓ１０）。次いで、制御装置１０は、気体Ｗの噴射を停止し（Ｓ１１）、処理をサブルーチンからメインルーチンに戻す。

【0030】

＜変形例＞
制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射位置の検出に基づかずに一旦設定されたレーザ光Ｌの照射位置の設定に基づいて気体Ｗの噴射を実行してもよい。つまり、制御装置１０は、予め定められたレーザ光の照射位置に対応して気体の噴射位置および流速に関するデータを一旦設定した後は、レーザ加工が終了するまでそのデータに沿った噴射を実行すればよい。

【0031】

レーザ光Ｌの照射位置は、エンコーダ２４により検出するのではなく、カメラによって撮影した画像から検出してもよい。具体的に、制御装置１０は、撮影した画像から輝度の高い位置をレーザ光Ｌの照射位置と特定し、特定したレーザ光Ｌの照射位置に対応する気体Ｗの噴射を実行すればよい。

【0032】

ノズル４０は、ラバールノズルで構成されていてもよい。ラバールノズルは、入口部から中央部にかけて幅が狭まり、出口部において再度幅が広がる構造である。ラバールノズルは、直進性を持たせた気体を高速で噴射することができる。

【0033】

＜まとめ＞
（１） 本開示のレーザ加工装置１は、ワーク６０の表面を走査しながらワーク６０にレーザ加工を施すことによってワーク６０に加工溝を形成するレーザ照射装置２と、レーザ照射装置２によるレーザの照射範囲において気体Ｗを噴射するノズル４０と、ノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更するモータ４１と、制御装置１０とを備える。制御装置１０は、レーザ照射装置２の照射位置に対応してモータ４１を制御しノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更する。

【0034】

（２） （１）のレーザ加工装置１は、ノズル４０から噴射される気体Ｗの流速を変更する流量調整弁４２をさらに備える。制御装置１０は、レーザ照射装置２の照射位置に対応して流量調整弁４２を制御しノズル４０における気体Ｗの流速を変更する。

【0035】

（３） （１）または（２）のレーザ加工装置１は、メモリ１２をさらに備える。メモリ１２は、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの噴射位置に関する噴射データを記憶する。制御装置１０は、噴射データに基づいてモータ４１を制御する。

【0036】

（４） （２）または（３）のレーザ加工装置１は、メモリ１２をさらに備える。メモリ１２は、レーザ照射装置２の照射位置に対応する気体Ｗの流速に関する流速データを記憶する。制御装置１０は、流速データに基づいて流量調整弁４２を制御する。

【0037】

（５） （１）から（４）のいずれかのレーザ加工装置１は、レーザ照射装置２の照射位置を検出するエンコーダ２４をさらに備える。制御装置１０は、エンコーダ２４の出力値に基づいてモータ４１を制御する。

【0038】

本開示のレーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの照射位置に対応してノズル４０における気体Ｗの噴射位置を変更することができるため、レーザ光Ｌの走査に対応した的確な位置に気体Ｗを噴出することができる。レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの照射位置に対応してノズル４０における気体Ｗの流速を変更することができるため、レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌの走査に対応した位置に対して的確な流速の気体Ｗを噴射することができる。

【0039】

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0040】

１ レーザ加工装置、２ レーザ照射装置、１０ 制御装置、１１ ＣＰＵ、１２ メモリ、２０ ガルバノスキャナ、２１ レンズ、２２ スキャンミラー、２３，４１ モータ、２４ エンコーダ、２７ 本体部、３０ レーザ発振装置、４０ ノズル、４２ 流量調整弁、４７ 支持部、５０ ボンベ、６０ ワーク、Ｌ レーザ光、Ｗ 気体。

【図1】

【図2】

【図3】