特開 2024-172073 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】P2024172073

(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 2023089556

(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６１を形成するレーザ照射装置２と、加工溝６１に対して第１位置から気体Ｗ１を噴射するノズル７０と、加工溝６１に対して第１位置とは異なる第２位置から気体Ｗ２を噴射するノズル４０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の照射に対応してノズル７０およびノズル４０から気体が噴射されるように制御する。
【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、
前記加工溝に対して第１位置から気体を噴射する第１噴射装置と、
前記加工溝に対して前記第１位置とは異なる第２位置から気体を噴射する第２噴射装置と、
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に対応して前記第１噴射装置および前記第２噴射装置から気体が噴射されるように制御する、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記第１噴射装置は、前記加工溝に沿って気体が流れる第１方向に気体を噴射し、
前記第２噴射装置は、前記加工溝に対して前記第１方向と交差する第２方向に気体を噴射する、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

前記第１噴射装置から噴射される気体の流速は、前記第２噴射装置から噴射される気体の流速よりも速い、請求項２に記載のレーザ加工装置。

【請求項4】

前記レーザ照射装置の照射位置を検出するセンサと、
前記第１噴射装置の気体の噴射位置を変更するアクチュエータとをさらに備え、
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し前記第１噴射装置の気体の噴射位置を変更する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記第１噴射装置は、ラバールノズルで構成されている、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、加工溝に対して第１位置から気体を噴射する第１噴射装置と、加工溝に対して第１位置とは異なる第２位置から気体を噴射する第２噴射装置と、制御装置とを備える。制御装置は、レーザ照射装置の照射に対応して第１噴射装置および第２噴射装置から気体が噴射されるように制御する。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、レーザ照射装置の照射に対応して第１噴射装置および第２噴射装置から気体が噴射されるため、レーザ加工によって生じたスパッタに対し二箇所から気体を噴射することができる。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７０と、モータ７１と、ノズル４０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、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７０は、気体Ｗ１を噴射する第１噴射装置として機能し、気体Ｗ１の流速を調整する調整機構である流量調整弁７２を介して気体Ｗ１の供給源であるボンベ５１と接続されている。なお、気体Ｗ１の供給源は、ボンベ５１以外の構成であってもよく気体Ｗ１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５１には、例えば、圧縮した空気が充填されている。流量調整弁７２は、開度が変更可能な構造である。流量調整弁７２は、制御装置１０からの信号に基づいてボンベ５１から送られてくる気体Ｗ１の流量を調整する。ノズル７０は、アクチュエータであるモータ７１と接続されている。調整機構は、流量調整弁７２以外の機構であってもよい。例えば、調整機構として開度の調整が可能なバルブ、電磁弁を用いてもよい。調整機構としてボンベ５１の代わりに流量が変更可能なポンプを用いてもよい。モータ７１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７１は、サーボモータで構成されてもよい。

【0014】

ノズル４０は、気体Ｗ２を噴射する第２噴射装置として機能し、気体Ｗ２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Ｗ２の供給源であるボンベ５０と接続されている。なお、気体Ｗ２の供給源は、ボンベ５０以外の構成であってもよく気体Ｗ２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Ｗ１，Ｗ２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。

【0015】

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Ｗ２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。なお、ノズル４０は、移動可能としてもよく、ノズル４０を移動させるためのアクチュエータと接続される構造でもよい。

【0016】

ノズル７０およびモータ７１は、支持部７７に固定されている。ノズル７０は、支持部４７のＸ方向の前後に移動可能である。ノズル４０は、支持部４７に固定されている。支持部は、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７７と支持部４７とは、連結部４８の両端に各々接続されている。支持部７７，連結部４８，支持部４７は、例えば、ロボットアームの先端に接続される。なお、支持部７７は、ワーク６０が取付けられるテーブル側に設置されてもよい。

【0017】

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。

【0018】

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７１を制御することによってノズル７０の位置を変更する。制御装置１０は、流量調整弁７２を制御し気体Ｗ１の流量を調整することによって、ノズル７０から噴射される気体Ｗ１の流速を調整する。制御装置１０は、流量調整弁４２を制御し気体Ｗ２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Ｗ２の流速を調整する。

【0019】

次に、図２を用いて、ノズル４０，７０による気体Ｗ１，Ｗ２の噴射について説明する。図２に示すように、ワーク６０上をレーザ光Ｌが走査する際、加工溝６１が形成されるとともに溶融した金属粉であるスパッタ６２が加工溝６１に生じる。スパッタ６２は、体積が大きいため何も対策をしなければ加工溝６１に付着する可能性がある。

【0020】

第１噴射装置としてのノズル７０は、図示しないロボットアームにより加工溝６１の正面位置に移動される。図２に示すように、ノズル７０は、加工溝６１に沿って気体Ｗ１が流れる第１方向である略水平方向に気体Ｗ１を噴射する。図１，２に示すように、第２噴射装置としてのノズル４０は、加工溝６１に対して第１方向と交差する第２方向である斜め方向に気体Ｗ２を噴射する。第２方向は、ワーク６０の上方から加工溝６１に対して斜めに向かうように気体Ｗ２を噴射する方向である。第２方向は、気体Ｗ１により飛び出したスパッタ６２をワーク６０の外へ吹き飛ばすことのできる方向であればよい。

【0021】

図２に示すように、ノズル７０の断面は、入口部７０ａから中央部７０ｂにかけて幅が狭まり、出口部７０ｃにおいて再度幅が広がっている。このような構造のノズルは、ラバールノズルと称される。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ノズルである。ノズル７０は、出口部７０ｃから気体Ｗ１を高速で加工溝６１に沿って噴射することができる。ノズル７０は、加工溝６１に沿った方向に移動可能である。これによって、レーザ光Ｌの走査に対応してノズル７０が移動できるため、直進性を持たせた気体Ｗ１を加工溝６１の先端に一定の流速で噴射することができる。

【0022】

レーザ加工装置１は、レーザ照射装置２のレーザ光Ｌの照射に対応してノズル７０およびノズル４０から気体が噴射されるため、レーザ加工によって生じたスパッタ６２に対し二箇所から気体を噴射することができる。これによって、レーザ加工によって生じるスパッタ６２を的確に吹き飛ばすことができる。

【0023】

具体的に、ラバールノズルで構成されているノズル７０が加工溝６１に沿った方向から気体Ｗ１を噴射することによって、加工溝６１内に溜まっている溶融したスパッタ６２をワーク６０の上方へと吹き上げる。そして、ノズル４０を用いて加工溝６１に対して斜め上方となる方向から気体Ｗ２を噴射することによって、気体Ｗ１によって加工溝６１の上方に舞い上がったスパッタ６２を気体Ｗ２によって吹き飛ばすことができる。なお、気体Ｗ２の流速の方が気体Ｗ１の流速よりも速いと、スパッタ６２の上方への舞い上がりが抑制される可能性がある。そのため、気体Ｗ１の流速を気体Ｗ２の流速よりも速く設定することによって、舞い上がったスパッタ６２が再び加工溝６１へ落ちることを防止することができる。

【0024】

なお、ノズル７０は、ラバールノズル以外の構成であってもよい。このような場合であっても、ノズル７０から噴射される気体Ｗ１の流速がノズル４０から噴射される気体Ｗ２の流速よりも速くすることが好ましい。これによって、舞い上がったスパッタ６２が再び加工溝６１へ落ちることを防止することができる。

【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６１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６１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第１ノズルであるノズル７０の気体Ｗ１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Ｗ１の噴出位置に関する噴出データに基づいてモータ７１が駆動するように設定する。

【0027】

次いで、制御装置１０は、Ｓ３の設定に基づいて、レーザ光Ｌの設定に対応する気体Ｗ１，Ｗ２の噴射を実行する（Ｓ４）。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（Ｓ５）。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（Ｓ６）。

【0028】

次いで、制御装置１０は、Ｓ６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６２を加工溝６１から除去可能な適切な位置で気体Ｗ１が噴射されるようにノズル７０を制御し、気体Ｗ１の噴射を調整する（Ｓ７）。ここで、制御装置１０は、Ｓ７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Ｗ１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Ｗ１を噴射することができる。なお、制御装置１０は、レーザ光Ｌの実際の照射位置に対応してノズル４０から噴射される気体Ｗ２の噴射を調整（位置および流速を調整）してもよい。

【0029】

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（Ｓ８）。制御装置１０は、Ｓ８においてレーザ加工が終了していないと判定した場合（Ｓ８のＮＯ）、Ｓ６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（Ｓ８のＹＥＳ）、レーザ光Ｌの照射を停止する（Ｓ９）。次いで、制御装置１０は、気体Ｗ１，Ｗ２の噴射を停止し（Ｓ１０）、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Ｗ１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Ｗ１の噴射位置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の噴射を実行すればよい。

【0032】

ノズル７０は、加工溝６１に沿った方向に移動可能であり、加工溝６１に対して略水平方向に位置していた。ノズル７０は、ノズル４０と同様にワーク６０の上面に対して斜めとなる位置に配置されるようにしてもよい。このような場合、レーザ光Ｌの走査に対応して加工溝６１の先端に気体Ｗ１が噴射されるようにしてもよい。

【0033】

ノズル４０とノズル７０とを上下に並列となるように設置し、気体Ｗ１と気体Ｗ２とが平行流となるようにしてもよい。このようにすれば、下方のノズル７０の気体Ｗ１の噴射により舞い上がったスパッタ６２を上方のノズル４０の気体Ｗ２により吹き飛ばすことができる。

【0034】

＜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６１を形成するレーザ照射装置２と、加工溝６１に対して第１位置から気体Ｗ１を噴射するノズル７０と、加工溝６１に対して第１位置とは異なる第２位置から気体Ｗ２を噴射するノズル４０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の照射に対応してノズル７０およびノズル４０から気体が噴射されるように制御する。

【0035】

（２） （１）のノズル７０は、加工溝６１に沿って気体が流れる第１方向に気体Ｗ１を噴射し、ノズル４０は、加工溝６１に対して第１方向と交差する第２方向に気体Ｗ２を噴射する。

【0036】

（３） （１）または（２）のノズル７０から噴射される気体Ｗ１の流速は、ノズル４０から噴射される気体Ｗ２の流速よりも速い。

【0037】

（４） （１）から（３）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と、ノズル７０の気体の噴射位置を変更するモータ７１とをさらに備える。制御装置１０は、エンコーダ２４の出力値に基づいてモータ７１を制御しノズル７０の気体Ｗ１の噴射位置を変更する。

【0038】

（５） （１）から（４）のいずれかのノズル７０は、ラバールノズルで構成されている。

【0039】

本開示のレーザ加工装置１は、レーザ照射装置２の照射に対応してノズル７０およびノズル４０から気体が噴射されるため、レーザ加工によって生じたスパッタ６２に対し二箇所から気体を噴射することができる。これによって、レーザ加工によって生じるスパッタ６２を的確に吹き飛ばすことができる。

【0040】

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】

【0041】

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、２３，７１ モータ、２４ エンコーダ、２７ 本体部、３０ レーザ発振装置、４０，７０ ノズル、４２，７２ 流量調整弁、４７，７７ 支持部、４８ 連結部、５０，５１ ボンベ、６０ ワーク、６１ 加工溝、６２ スパッタ、７０ａ 入口部、７０ｂ 中央部、７０ｃ 出口部、Ｌ レーザ光、Ｗ１，Ｗ２ 気体。

【図1】

【図2】

【図3】