雷射加工頭的製作方法

2023-04-25 04:59:21

專利名稱：雷射加工頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過聚光光學系統會聚雷射光束並通過加工噴嘴照射，同時從加工噴嘴噴射輔助氣體並進行雷射加工被加工工件的雷射加工頭。
背景技術：
在雷射加工機的加工頭中，保持有會聚雷射光束的聚光光學系統，另外，形成有向加工頭供給輔助氣體的輔助氣體供給口。通過聚光光學系統、例如聚光透鏡會聚的雷射光束和從輔助氣體供給口供給的輔助氣體從加工頭的加工噴嘴朝向被加工工件，由此加工被加工工件。另外，在加工頭中，聚光光學系統與加工噴嘴之間的空間稱為加工頭空腔。
另外，近年來使用作為高功率雷射器的二氧化碳雷射器。在這種二氧化碳雷射器中，由於需要根據波長的關係儘可能減少透過光學系統、例如聚光透鏡的數目，所以保持在加工頭上的透過光學系統成為單一。另外，相對聚光透鏡與加工頭空腔側相反的一側的空間是大氣壓。加工頭及聚光透鏡可以通過調節機構部相對地移動，加工噴嘴與聚光透鏡之間的位置關係可自由調整。
在雷射加工時，輔助氣體從輔助氣體供給口向加工頭內供給，加工頭空腔內成為規定的高壓力、例如1Mpa。聚光透鏡通過比該聚光透鏡大一圈的聚光透鏡保持部保持。例如，在聚光透鏡保持部的外徑為60mm的場合，在由聚光透鏡和聚光透鏡保持部構成的受壓面上作用的力達到約2.8KN。由於調節機構部需要克服該力使加工噴嘴及/或聚光透鏡相對地移動，所以需要用於使調節機構部動作的大型驅動部，存在加工頭自身大型化或複雜化的傾向。
為了解決這些問題，在專利第2804206號說明書中公開了具備副氣體室及活塞氣驅動器的加工頭。圖8是專利第2804206號說明書中公開的現有技術的雷射加工頭的長度方向剖視圖。圖8所示的雷射加工頭114主要由形成有噴嘴孔111的噴嘴部105和保持聚光透鏡102的聚光透鏡保持部103構成。在聚光透鏡102與噴嘴孔111之間形成有加工頭空腔108。
如圖所示，在噴嘴部105的內周面上設置有上方環狀突出部117和下方環狀突出部109。聚光透鏡保持部103的外周面配合在上方環狀突出部117及下方環狀突出部109內。而且，聚光透鏡保持部103通過連接部107連接在驅動器106的活塞106a上。通過作為調節機構部的驅動器106，聚光透鏡保持部103能在噴嘴部105內滑動。
另外，在噴嘴部105上形成有與加工頭空腔108連通的輔助氣體供給口113。來自配置在雷射加工頭114外部的輔助氣體源的輔助氣體通過供給通路119從輔助氣體供給口113向加工頭空腔108內供給。由於在雷射加工時總是供給輔助氣體，所以加工頭空腔108能維持在規定的高壓。
如圖所示，雷射透鏡保持部103的上方環狀突出部117與下方環狀突出部109之間配置的法蘭116設置在聚光透鏡保持部103上。法蘭116的前端以使其配合在噴嘴部105的內周面上確定尺寸。由於聚光透鏡保持部103與噴嘴部105之間通過密封部件進行密封，所以在法蘭116的上端面與上方環狀突出部117的下端面之間形成環狀的副氣體室115。
另外，在上方環狀突出部117的下端面形成有開口部153。另一方面，從供給通路119的分支部141分支的分支通路142延伸到開口部153。因而，供給通路119的輔助氣體通過分支通路142同樣供給到副氣體室115。
如圖所示，若下方環狀突出部109的內徑為D1、噴嘴部105的內徑為D2、上方環狀突出部117的內徑為D3，則聚光透鏡保持部103的受壓面積表示為D12/4×π，環狀副氣體室115的受壓面積表示為(D32-D22)/4×π。在圖8中，由於這些聚光透鏡保持部103的受壓面積與環狀副氣體室115的受壓面積相互等同地形成，所以聚光透鏡保持部103及環狀副氣體室115所受的各力相互抵消。由此，驅動器106將聚光透鏡保持部103維持在當前位置，或者在輔助氣體加壓下移動所需的力很少就可以。
當雷射加工結束時，停止來自輔助氣體源的輔助氣體的供給。加工頭空腔108內的輔助氣體從噴嘴孔111放出，加工頭空腔108的壓力逐漸降低。同樣，環狀副氣體室115內的輔助氣體也通過分支通路142及供給通路119流入加工頭空腔108內，接著從噴嘴孔111同樣放出。
可是，在專利第2804206號說明書內公開的現有技術的雷射加工頭114中，設置有環狀副氣體室115的同時，需要向環狀副氣體室115供給輔助氣體或壓縮氣體的分支通路142等，所以雷射加工頭114整體的構造變複雜。另外，在設置環狀副氣體室115的場合，在加工頭空腔108與環狀副氣體室115之間難於維持壓力平衡。
而且，在雷射加工結束並加工頭空腔108減壓時，需要使環狀副氣體室115的輔助氣體等通入分支通路142及供給通路119並流入加工頭空腔108內。因而，使環狀副氣體室115的壓力降低需要相當長的時間。
另外，在變更雷射加工機的加工內容時，有變更氣體種類、例如將輔助氣體從氧氣切換為氮氣的情況。在這種輔助氣體的切換作業中，也需要一次放出殘留在環狀副氣體室115內的氣體，由於同樣的原因，輔助氣體的切換需要花費相當長的時間。

發明內容
本發明是鑑於這些事實提出的，目的在於提供一種不需要設置副氣體室及/或副氣體室用分支通路，用輕微的力使聚光光學系統保持裝置或噴嘴保持裝置移動的雷射加工頭。
為了實現上述目的，本發明第1方案提供的雷射加工頭，具備保持形成有噴嘴孔的噴嘴的噴嘴保持機構和保持聚光光學系統的聚光光學系統保持機構，該聚光光學系統保持機構以可密封的方式滑動地配置在上述噴嘴保持機構內，還具備使上述噴嘴保持機構及上述聚光光學系統保持機構相對滑動移動的移動機構；向在上述聚光光學系統保持機構的上述聚光光學系統與上述噴嘴保持機構的上述噴嘴孔之間形成的加工頭空腔供給輔助氣體的輔助氣體供給機構；連通上述加工頭空腔和上述噴嘴保持機構的外部並在上述噴嘴保持機構上形成的通路；在上述通路上以可密封的方式滑動的滑動部件；和連接該滑動部件與上述聚光光學系統保持機構的連接機構。
即在第1方案中，當加工頭空腔通過輔助氣體達到高壓時，在聚光光學系統保持機構及滑動部件上作用互為相反方向的力。由於滑動部件與聚光光學系統保持機構連接為一體，所以作用在這些聚光光學系統保持機構及滑動部件上的力相互抵減。其結果，不設置副氣體室及/或副氣體室用分支通路，能減少通過移動機構使聚光光學系統保持機構或噴嘴保持機構移動的力。而且，由於在第1方案中能排除副氣體室及/或副氣體室用分支通路，所以雷射加工頭的構造變簡單，還可以在短時間內進行輔助氣體的切換。
本發明第2方案是在第1方案基礎上，垂直於上述滑動部件的滑動方向的平面上的上述滑動部件在上述加工頭空腔側的投影面積與垂直於上述聚光光學系統和上述噴嘴孔之間的光路的光軸的平面上的上述聚光光學系統保持機構在上述加工頭空腔側的投影面積相等。
即在第2方案中，由於通過輔助氣體作用在聚光光學系統保持機構及滑動部件上的力是完全相等的大小，所以能完全抵消這些力，移動機構所需的力極其輕微。
本發明第3方案是在第1或2方案基礎上，上述連接機構至少是一根杆件。
本發明第4方案是在第1或2方案基礎上，上述連接機構至少是形成有一個貫通孔的上述聚光光學系統保持機構的一部分。
即在第3方案及第4方案中，能通過比較簡單的構成，形成雷射加工頭。
本發明第5方案提供的雷射加工頭，具備保持形成有噴嘴孔的噴嘴的噴嘴保持機構和保持聚光光學系統的聚光光學系統保持機構，上述噴嘴保持機構以可密封的方式滑動地配置在上述聚光光學系統保持機構內，還具備使上述噴嘴保持機構及上述聚光光學系統保持機構相對滑動移動的移動機構；向在上述聚光光學系統保持機構的上述聚光光學系統與上述噴嘴保持機構的上述噴嘴孔之間形成的加工頭空腔供給輔助氣體的輔助氣體供給機構；連通上述加工頭空腔和上述噴嘴保持機構的外部並在上述噴嘴保持機構上形成的通路；在上述通路上以可密封的方式滑動的滑動部件；和連接該滑動部件與上述噴嘴保持機構的連接機構。
即在第5方案中，當加工頭空腔通過輔助氣體達到高壓時，在噴嘴保持機構及滑動部件上作用互為相反方向的力。由於滑動部件與噴嘴保持機構連接為一體，所以作用在這些噴嘴保持機構及滑動部件上的力相互抵減。其結果，不設置副氣體室及/或副氣體室用分支通路，能減少通過移動機構使聚光光學系統保持機構或噴嘴保持機構移動的力。而且，由於在第5方案中能排除副氣體室及/或副氣體室用分支通路，所以雷射加工頭的構造變簡單，還可以在短時間內進行輔助氣體的切換。
本發明的第6方案是在第5方案基礎上，在垂直於上述滑動部件的滑動方向的平面上的上述滑動部件在上述加工頭空腔側的投影面積與垂直於上述聚光光學系統和上述噴嘴孔之間的光路的光軸的平面上的上述噴嘴保持機構在上述加工頭空腔側的投影面積相等。
即在第6方案中，由於通過輔助氣體作用在噴嘴保持機構及滑動部件上的力為完全相等的大小，所以這些力能完全抵消，移動機構所需的力極其輕微。
本發明的第7方案是在第1至6中任何一種方案基礎上，通過上述輔助氣體供給機構供給輔助氣體的加工頭空腔的輔助氣體供給口從上述聚光光學系統與上述噴嘴孔之間的光路的光軸看形成在比上述連接機構更靠遠處。
即在第7方案中，在變更輔助氣體種類時，由於輔助氣體從加工頭空腔的外周部分供給，所以能迅速地置換。
本發明的第8方案是在第5至7中任何一種方案基礎上，上述連接機構是掛設在設於上述聚光光學系統保持機構上的帶輪上的金屬線。
即在第8方案中，能通過比較簡單的構成，形成雷射加工頭。
本發明第9方案提供的雷射加工頭，具備保持形成有噴嘴孔的噴嘴的噴嘴保持機構和保持聚光光學系統的聚光光學系統保持機構，該聚光光學系統保持機構以可密封的方式滑動地配置在上述噴嘴保持機構內，還具備使上述噴嘴保持機構及上述聚光光學系統保持機構相對滑動移動的移動機構；向在上述聚光光學系統保持機構的上述聚光光學系統與上述噴嘴保持機構的上述噴嘴孔之間形成的加工頭空腔供給輔助氣體的輔助氣體供給機構；在上述聚光光學系統保持機構與上述噴嘴保持機構之間形成的流體空腔；連通上述流體空腔與上述加工頭空腔的通路；和在上述通路上以可密封的方式滑動的滑動部件，在上述聚光光學系統保持機構向減小上述加工頭空腔體積的方向移動時，上述流體空腔的體積增加，在上述流體空腔與上述通路的上述滑動部件之間填充非壓縮性流體。
即在第9方案中，通過輔助氣體變高了的加工頭空腔的壓力通過滑動部件傳遞給通路內的流體，流體空腔的壓力也同樣上升。由此，加工頭空腔的體積減少的方向的力作用在聚光光學系統保持機構上。並且，由於這個力的方向與通過加工頭空腔作用在聚光光學系統保持機構上的力的方向相反，所以這些力相互抵減。其結果，不設置副氣體室用分支通路，能減少通過移動機構使聚光光學系統保持機構或噴嘴保持機構移動的力。而且，由於在第9方案中能排除副氣體室用分支通路，所以雷射加工頭的構造變簡單，還可以在短時間內進行輔助氣體的切換。
本發明第10方案是在第9方案基礎上，上述通路在上述噴嘴保持機構上形成。
本發明第11方案是在第9方案基礎上，上述通路在上述聚光光學系統保持機構上形成。
即在第10或11方案中，能通過比較簡單的構成，形成雷射加工頭。
根據附圖所示的本發明典型的實施方式的詳細說明，本發明的這些目的、特徵及優點和其它的目的、特徵及優點將更明晰。


圖1是基於本發明的第一實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。
圖2表示第一實施方式的變更例的與圖1同樣的圖。
圖3是沿圖2的I-I線視察的剖視圖。
圖4表示第一實施方式的其它變更例的與圖1同樣的圖。
圖5是基於本發明的第二實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。
圖6是基於本發明的第三實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。
圖7表示第三實施方式的變更例的與圖6同樣的圖。
圖8是現有技術的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。
圖中1雷射2聚光透鏡(聚光光學系統)3聚光透鏡保持部(聚光光學系統保持機構) 3a寬度較窄部分3b寬度較寬部分 4噴嘴5噴嘴保持部(噴嘴保持機構)6驅動器 6a活塞 7連接部7a開口部8加工頭空腔 8′空間 9下方環狀突出部11噴嘴孔
12通路13輔助氣體供給口(輔助氣體供給機構)14雷射加工頭 15流體空腔 16法蘭17上方環狀突出部19供給通路(輔助氣體供給機構) 20a、20b輔助氣體源31通路31′貫通孔 32流體通路33滑動部件33a法蘭 33b套筒 35桿件(連接機構) 36貫通孔37金屬38帶輪 39通路41支撐棒51光軸52聚光點54、55開口具體實施方式
以下，參照附圖進行說明本發明的實施方式。在以下的附圖中，相同的部件標以相同的符號。為了便於理解，適當變更這些附圖的比例尺。
圖1是基於本發明第一實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。圖1所示的雷射加工頭14主要由保持形成有噴嘴孔11的噴嘴4的筒形噴嘴保持部5和保持聚光光學系統、例如聚光透鏡2的筒形聚光透鏡保持部3構成。噴嘴保持部5固定在主體53上。聚光透鏡2保持在聚光透鏡保持部3的上緣附近，聚光透鏡2的直徑為例如25mm至63mm左右。噴嘴保持部5的噴嘴孔11的直徑為0.5mm至6mm左右。另外，在聚光透鏡2與噴嘴孔11之間形成有稱為加工頭空腔8的密閉空間。
如圖所示，在噴嘴保持部5的內周面上設置有環狀突出部9。聚光透鏡保持部3的外周面配合在環狀突出部9上，聚光透鏡保持部3可以滑動地配置在噴嘴保持部5內。
另外，在噴嘴保持部5的外周面上形成有比較大的開口部7a。設置在聚光透鏡保持部3上的連接部7通過開口部7a延伸，連接在配置於噴嘴保持部5的外部的驅動器6的活塞6a上。驅動器6連接在無圖示的雷射加工機的控制裝置上。通過驅動器6的活塞6a的升降，聚光透鏡保持部3在噴嘴保持部5內沿上下方向滑動，由此，進行調整在被加工工件10上的聚光點。利用驅動器6的聚光透鏡保持部3(在後述的第二實施方式的場合為噴嘴保持部5)的滑動距離最大為20mm左右。再者，不進行詳細說明，但在本申請說明書中，在伴隨滑動作用的部件上設置有密封材料，這些部件可以密封地滑動。
另外，在噴嘴保持部5的內周面上形成有與加工頭空腔8連通的輔助氣體供給口13。來自配置在雷射加工頭14外部的輔助氣體源20a、20b的輔助氣體通過通路12及供給通路19從輔助氣體供給口13向加工頭空腔8內供給。由於在雷射加工時總是供給輔助氣體，所以加工頭空腔8維持在規定的高壓。
再者，在圖1中，輔助氣體源20a是氧氣源，輔助氣體源20b是氮氣源。但是，根據相對被加工工件10的雷射加工的內容，可以採用其它輔助氣體源、例如氬氣、空氣、氦氣、氮氣或氧氣的提純調質空氣、或者由多種氣體構成的混合氣體等氣體源。
在圖1所示的實施方式中，噴嘴4周圍的噴嘴支持部5的厚度比其它部分更厚。並且，連通加工頭空腔8與噴嘴保持部5的外部的多個、在圖1中為2個的通路31在噴嘴4周圍形成。而且，沿通路31滑動的滑動部件33分別配置在該通路31上。另外，如圖所示，通過配置在加工頭空腔8內的杆件35，滑動部件33連接在聚光透鏡保持部3的下方端。即，如圖所示，加工頭空腔8為由聚光透鏡保持部3與滑動部件33夾持的結構。另外，滑動部件33的一面暴露在加工頭空腔8內，另一面暴露在雷射加工頭14外部的周圍空氣中。再者，杆件35的直徑小到可配置在聚光透鏡保持部3的厚度部分上的程度，在杆件35與環狀突出部9之間形成規定的間隙。
如圖1所示，在垂直於通過噴嘴保持部5及聚光透鏡保持部3的雷射1的光軸51的方向上，通路31的至少一部分位於聚光透鏡保持部3的區域內。因此，在圖1中能採用直線狀的杆件35。
在圖1所示的實施方式中，通過杆件35，聚光透鏡保持部3與滑動部件33為一體地滑動的結構。因此，在聚光透鏡保持部3向下方滑動使加工頭空腔8的體積減少時，滑動部件33向下方滑動以增加加工頭空腔8的體積。
在雷射加工頭14使用時，將被加工工件10配置在規定的位置後，通過無圖示的Z軸驅動器將雷射加工頭14定位在被加工工件10上方，接著通過驅動器6調節聚光透鏡保持部3的位置。其後，開放開關閥23，將來自一方的輔助氣體源20a的輔助氣體、例如氧氣通入壓力調整器21流入通路12內。輔助氣體在供給通路19內流動，通過輔助氣體供給口13向加工頭空腔8內供給。由此，加工頭空腔8內的壓力上升到例如1Mpa。再者，相對聚光透鏡2與加工頭空腔8側相反的一側的空間為大氣壓。
當加工頭空腔8為高壓時，在聚光透鏡保持部3上作用向上方的力。另外，由於加工頭空腔8為由聚光透鏡保持部3與滑動部件33夾持的結構，所以當加工頭空腔8為高壓時，在滑動部件33上作用向下方的力。即，在聚光透鏡保持部3及滑動部件33的各自上作用互為相反方向的力。然而，在圖示的實施方式中，由於通過杆件35聚光透鏡保持部3與滑動部件33連接為一體，所以作用在這些聚光光學系統保持機構及滑動部件上的力減小。
接著，在雷射加工時，來自無圖示的雷射起振器的雷射1輸入雷射加工頭14內，接下來雷射1通過聚光透鏡2會聚到被加工工件10上的聚光點52上。由此，在聚光點52處，被加工工件10恰當地進行雷射加工或雷射焊接。為了適當地調節聚光點52，需要通過驅動器6上下微調整聚光透鏡保持部3。在本發明中，由於作用在聚光透鏡保持部3及噴嘴保持部5上的力被抵減，所以通過驅動器6使聚光透鏡保持部3上下移動所需的力比較小即可。
另外，如圖1所示，若環狀突出部9的內徑為Da，同時滑動部件33為圓形且其直徑為Db，則聚光透鏡保持部3的受壓面積為Da2/4×π，2個滑動部件33的受壓面積之和為2×Db2/4×π。在第一實施方式中，這些聚光透鏡保持部3的受壓面積與2個滑動部件33的受壓面積之和最好相等。換言之，在垂直於2個滑動部件33各自的滑動方向的平面上的滑動部件33在加工頭空腔8側的投影之和最好與垂直於聚光透鏡2與噴嘴孔11之間的雷射1的光軸51的平面上的聚光透鏡保持部3在加工頭空腔8側的投影面積相等。
在這些受壓面積上，施加基於加工頭空腔8的壓力與大氣壓之間的壓力差的力。因而，在這些受壓面積相等的場合，作用在聚光透鏡保持部3及滑動部件33上的力可以完全相互抵消，因此，通過驅動器6使聚光透鏡保持部3上下移動所需的力變的極小。
然而，在雷射加工中途，由於加工條件的變更等，有輔助氣體例如從氧氣切換為氮氣的場合。此時，關閉開關閥23，停止來自輔助氣體源20a的氧氣供給。由此，加工頭空腔8內的輔助氣體從噴嘴孔11放出，加工頭空腔8的壓力減少。接著，打開開關閥24，向加工頭空腔8內供給輔助氣體源20b的氮氣。在圖1所示的實施方式中，由於沒設置副氣體室及/或副氣體室用分支通路(參照圖8)，所以雷射加工頭的構造變簡單，另外切換前的輔助氣體也不會殘留在副氣體室及/或副氣體室用分支通路內。因此，能迅速地進行輔助氣體的切換，其結果能提高雷射加工機的生產率。
另外，當雷射加工結束時，開關閥24關閉，停止供給來自輔助氣體源20b的輔助氣體。並且，加工頭空腔8內的輔助氣體從噴嘴孔11放出，加工頭空腔8的壓力逐漸減少。由於在這種場合也設置有副氣體室及/或副氣體室用分支通路(圖8)，所以同樣可以迅速地進行放出輔助氣體。
圖2表示第一實施方式的變更例的與圖1同樣的圖。以下主要關於相對於圖1的不同點進行說明。在圖2中，取代杆件35，聚光透鏡保持部3延長到比環狀突出部9更靠近下方。並且，在聚光透鏡保持部3的延長的部分的周面上，多個貫通孔36在周向等間隔形成。貫通孔36的尺寸最好充分大到在輔助氣體放出時輔助氣體不殘留在聚光透鏡保持部3與噴嘴保持部5之間的程度。
圖3是沿圖2的I-I線觀察的剖視圖。由圖2及圖3可知，在本變更例中，在噴嘴4周圍形成有環狀貫通孔31′。並且，在貫通孔31′的下端附近配置有在徑向延伸的多個支持棒41。這些支持棒41起到支持噴嘴保持部5的噴嘴4的作用。
再次參照圖2，加工頭空腔8的噴嘴4的外徑大致對應聚光透鏡保持部3的內徑。並且，對應貫通孔31′形狀的環狀滑動部件33直接連接在聚光透鏡保持部3的下端。
在圖2所示的變更例中，聚光透鏡保持部3及滑動部件33為一體地滑動的結構。因此，在聚光透鏡保持部3向下方滑動使加工頭空腔8的體積減少時，滑動部件33向下方滑動使加工頭空腔8的體積增加。因而，在圖2所示的變更例中，也能取得與上述同樣的效果。
在圖2中，若環狀突出部9的內徑為Da，噴嘴4的外徑為Dc，噴嘴保持部件5的內徑為Dd，則聚光透鏡保持部3的受壓面積為Da2/4×π，滑動部件33的受壓面積表示為(Dd2/4×π-Dc2/4×π)。並且，在聚光透鏡保持部3的受壓面積與滑動部件33的受壓面積相等的場合，與上述同樣，作用在聚光透鏡保持部3及滑動部件33上的力能完全相互抵消，因而，能極大地減少驅動器6所需的力。
圖4表示第一實施方式的其它變更例的與圖1同樣的圖。在圖4中，上方環狀突出部17在環狀突出部9的上方形成，聚光透鏡保持部3在上方環狀突出部17內滑動。
在圖4中，滑動部件33與聚光透鏡保持部3同軸配置，滑動部件33由法蘭33a和從法蘭33a延伸出來的套筒33b構成。法蘭33a前端的尺寸確定成使其配合在噴嘴保持部5的內周面上。滑動部件33的法蘭33a為在上方環狀突出部17與下方環狀突出部9之間滑動的結構。另外，套筒33b的尺寸確定成使其在環狀突出部9的內周面內滑動。
而且，安裝在驅動器6的活塞6a上的連接部7連接在滑動部件33的套筒33b上。如圖示，由於多個杆件35連接聚光透鏡保持部3與滑動部件33，所以聚光透鏡保持部3、杆件35及滑動部件33為一體地滑動的結構。
在這種場合，在聚光透鏡保持部3向下方滑動使加工頭空腔8的體積減少時，滑動部件33在上方環狀突出部17與下方環狀突出部9之間向環狀突出部9滑動。上方環狀突出部17與滑動部件33之間的空間8′通過這種滑動作用而增大。因而，在圖4的場合，也可以說在聚光透鏡保持部3向下方滑動使加工頭空腔8的體積減少時，滑動部件33向下方滑動使加工頭空腔8的體積增加。因而，在圖4所示的變更例中，也能取得與上述同樣的效果。
在圖4中，若環狀突出部9的內徑為Da，上方環狀突出部17的內徑為Df，法蘭33a的外徑為De，則聚光透鏡保持部3的受壓面積為Df2/4×π，滑動部件33的受壓面積表示為(De2/4×π-Da2/4×π)。並且，在這些聚光透鏡保持部3的受壓面積與滑動部件33的受壓面積相等的場合，與上述同樣，作用在聚光透鏡保持部3及滑動部件33上的力能完全相互抵消，因而，能極大地減少驅動器6所需的力。
圖5是基於本發明的第二實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。如圖5所示，聚光透鏡保持部3固定在主體53上。並且，聚光透鏡保持部3的前端側作為比保持聚光透鏡2的寬度較寬部分3b寬度窄的寬度較窄部分3a形成。而且，寬度較窄部分3a的內徑大致對應噴嘴保持部5的外徑，安裝在驅動器6的活塞6a上的連接部7連接在噴嘴保持部5上。由於這種結構，所以在第二實施方式中，噴嘴保持部5在聚光透鏡保持部3的內周面上滑動。另外，用於供給輔助氣體的供給通路19及輔助氣體供給口13在聚光透鏡保持部3的寬度較寬部分3b上形成。
如圖所示，相對光軸51斜向延伸的多個、例如2個通路39在寬度較寬部分3b的壁厚部分上形成。由圖5可知，這些通路39相對於從噴嘴孔11向聚光透鏡2的方向相互離開地形成。
滑動部件33可以滑動地配置在這些通路39的各個內。在寬度較寬部分3b與寬度較窄部分3a之間的內側肩部上設置有帶輪38。並且，在加工頭空腔8內金屬線37通過帶輪38連接滑動部件33與噴嘴保持部5。因而，滑動部件33、金屬線37及噴嘴保持部5為一體地滑動的結構。
在這種場合，在噴嘴保持部5向下方滑動使加工頭空腔8的體積增大時，滑動部件33在通路39中使加工頭空腔8的體積減少而向斜下方滑動。另外，在雷射加工時，由於加工頭空腔8通過輔助氣體加壓，所以在嘴保持部5向上方滑動噴使加工頭空腔8的體積減少時，滑動部件33在通路39中向斜上方滑動使加工頭空腔8的體積增加。因而，在圖5所示的變更例中，也能取得與上述同樣的效果。
在圖5中，若聚光透鏡保持部3的寬度較窄部分3a的內徑為Dg，圓形的滑動部件33的直徑為Dh，則噴嘴保持部5的受壓面積為Dg2/4×π，滑動部件33的受壓面積表示為2×Dh2/4×π。當加工頭空腔8通過輔助氣體加壓時，基於輔助氣體壓力(測量壓力)與上述的受壓面積的力各自作用在噴嘴保持部5及滑動部件33上。
並且，最好這些噴嘴保持部5的受壓面積與滑動部件33的受壓面積相等。即，垂直於2個滑動部件33的各個的滑動方向的平面上的滑動部件33在加工頭空腔8側的投影面積之和最好與垂直於聚光透鏡2和噴嘴孔11之間的光軸51的平面上的噴嘴保持部5在加工頭空腔8側的投影面積相等。在這種場合，與上述同樣，作用在噴嘴保持部5及滑動部件33上的力能完全相互抵消，因而，能極大地減少驅動器6所需的力。
由圖5所示的第二實施方式可知，滑動部件33的滑動方向不限定於光軸51的方向，也可以是相對光軸51傾斜的方向。另外，在通過無圖示的連杆機構及/或齒輪機構增大滑動部件33的力的場合，可知能採用受壓面積更小的滑動部件33。
另外，在參照圖1至圖5說明了的實施方式中，做成杆件35或金屬線37及帶輪38設置在加工頭空腔8內的結構，但這些也可以設置在加工頭空腔8的外部。
然而，在參照圖1至圖5說明了的實施方式中，輔助氣體供給口13從光軸51看位於比杆件35、貫通孔36、或金屬線37與帶輪38的組合更靠徑向外側。在輔助氣體例如從氧氣切換為氮氣時，切換後的輔助氣體從輔助氣體供給口13流入加工頭空腔8，同時切換前的殘留輔助氣體從噴嘴保持部5的中心噴嘴孔11快速放出。因此，在這些實施方式中，在變更輔助氣體種類時，通過從加工頭空腔的外周部分供給輔助氣體，能迅速地進行置換。
圖6是基於本發明第三實施方式的雷射加工頭的長度方向的剖視圖。在圖6中，在噴嘴保持部5的內周面上設置有上方環狀突出部17和下方環狀突出部9。聚光透鏡保持部3的外周面配合在上方環狀突出部17及下方環狀突出部9的兩方。聚光透鏡保持部3通過連接部7連接在驅動器6的活塞6a上，通過驅動器6聚光透鏡保持部3在噴嘴保持部5內滑動。
如圖所示，在聚光透鏡保持部3上設置有法蘭16。法蘭16的前端以使其配合在嘴保持部5的內周面上地確定尺寸。另外，該法蘭16配置在聚光透鏡保持部3的上方環狀突出部17與下方環狀突出部9之間。另外，由於聚光透鏡保持部3與噴嘴保持部5之間通過密封部件密封，所以在法蘭16的上端面與上方環狀突出部17的下端面之間形成環狀的流體空腔15。
而且，流體通路32的開口54形成在上方環狀突出部17的下端面上。該流體通路32從上方環狀突出部17通過噴嘴保持部5的厚度部分延伸到下方環狀突出部9，向下方環狀突出部9的突出方向彎折，在下方環狀突出部9的內周面上形成的開口55為終端。並且，在下方環狀突出部9內的流體通路32中可以滑動地配置滑動部件33。在圖6所示的實施方式中，在流體空腔15及流體空腔15與滑動部件33之間的流體通路32內填充非壓縮性流體A、例如液體。如圖所示，開口55比流體通路32的剖面稍微小地形成，由此，能防止滑動部件33從流體通路32脫落。流體空腔15在光軸51的方向上可伸縮地構成，在聚光透鏡保持部3向下方滑動使加工頭空腔8的體積減少時，流體空腔15的體積增加。換言之，在流體空腔15加壓的場合，通過法蘭16聚光透鏡保持部3受到向噴嘴孔11方向的力。另外，流體空腔15自身為只受大氣壓的構造，由於流體空腔15及流體通路32通過非壓縮性流體A填充，所以流體空腔15也不受加工頭空腔8內的壓力的影響。
在圖6所示的第三實施方式中，當通過從輔助氣體供給口13供給輔助氣體而使加工頭空腔8加壓時，在聚光透鏡保持部3上作用向上方的力。另一方面，通過開口55作用在滑動部件33上的力通過流體通路32及流體空腔15內的流體作用在流體空腔15上，由此，流體空腔15內的壓力大致與加工頭空腔8內的壓力相等。因此，流體空腔15內的壓力作用在聚光透鏡保持部3的法蘭16上，聚光透鏡保持部3受到向下方的力。即，在聚光透鏡保持部3向上方滑動使加工頭空腔8的體積增加時，作用有使加工頭空腔8的體積減少地而使聚光透鏡保持部3向下方滑動的力。
因而，在第三實施方式中，作用在聚光透鏡保持部3的法蘭16的受壓面積(Di2-Dj2)/4×π的向下的力，與作用在聚光透鏡保持部3的受壓面積Da2/4×π上的向上的力抵減。並且，只這些受壓面積之差的力作用在聚光透鏡保持部3上。因此，通過驅動器6使聚光透鏡保持部3滑動所需的力很少就夠了。可知，在這種場合也是在法蘭16的受壓面積和聚光透鏡保持部3的受壓面積相等的場合，可以極大地減少驅動器6所需的力。
而且，由於向流體空腔15及流體通路32內填充非壓縮性流體A，所以在輔助氣體切換時也不需要放出非壓縮性流體A，可以在短時間內進行輔助氣體的切換作業。另外，在第三實施方式中，由於能排除在加工頭外部設置的現有技術的副氣體室用分支通路，所以雷射加工頭的構造變簡單。
再者，在滑動部件配置在分支通路142上的場合，圖8所示的現有技術的雷射加工頭類似於圖6所示的第三實施方式的雷射加工頭。可是，在現有技術的雷射加工頭中，由於輔助氣體向環狀副氣體室115內供給，所以有輔助氣體供給口113與分支部141之間的壓力降低變大的缺點。而且，由於使用輔助氣體，所以滑動部件33的移動範圍變大，也有雷射加工頭變大這樣的缺點。對於這點，由於在第三實施方式中是非壓縮性流體A向流體通路32及流體空腔15內填充的結構，所以滑動部件33的受壓面積比較小就夠了。
圖7表示第三實施方式的變更例的與圖6同樣的圖。在圖7中，流體通路32在法蘭16內在徑向形成。流體通路32的一端在聚光透鏡保持部3的內周面設置開口55，另一端在法蘭16上端形成的開口54處為終端。與圖6的情況相同，在流體通路32內可以滑動地配置有滑動部件33，在流體通路32及流體空腔15內填充非壓縮性流體A。
在圖7所示的場合，也在作用有使加工頭空腔8的體積增加而聚光透鏡保持部3向上方滑動的力時，作用有使加工頭空腔8的體積減少地使聚光透鏡保持部3向下方滑動的力，這些力相互抵減。因此，可知，在圖7所示的場合，也能取得與參照圖6說明的同樣的效果。再者，當然，使上述實施方式適當組合也包含在本發明的範圍內。
用典型的實施方式說明了本發明，但本領域技術人員在不脫離本發明的範圍的情況下，進行上述變更及各種其它變更、省略、追加是可以理解的。
權利要求
1.一種雷射加工頭，包括保持形成有噴嘴孔(11)的噴嘴(4)的噴嘴保持機構(5)和保持聚光光學系統(2)的聚光光學系統保持機構(3)，該聚光光學系統保持機構(3)以可密封的方式滑動地配置在上述噴嘴保持機構(5)內，還包括使上述噴嘴保持機構(5)及上述聚光光學系統保持機構(3)相對滑動移動的移動機構(6)；和向在上述聚光光學系統保持機構(3)的上述聚光光學系統(2)與上述噴嘴保持機構(5)的上述噴嘴孔(11)之間形成的加工頭空腔(8)供給輔助氣體的輔助氣體供給機構(13)，其特徵在於，具備連通上述加工頭空腔(8)和上述噴嘴保持機構(5)的外部並在上述噴嘴保持機構(5)上形成的通路(31)；在上述通路(31)上以可密封的方式滑動的滑動部件(33)；和連接該滑動部件(33)與上述聚光光學系統保持機構(3)的連接機構(35)。
2.根據權利要求1所述的雷射加工頭，其特徵在於，垂直於上述滑動部件(33)的滑動方向的平面上的上述滑動部件(33)在上述加工頭空腔(8)側的投影面積與垂直於上述聚光光學系統(2)和上述噴嘴孔(11)之間的光路的光軸(51)的平面上的上述聚光光學系統保持機構(3)在上述加工頭空腔(8)側的投影面積相等。
3.根據權利要求1或2所述的雷射加工頭，其特徵在於，上述連接機構(35)是至少為一根的杆件。
4.根據權利要求1或2所述的雷射加工頭，其特徵在於，上述連接機構是至少形成有一個貫通孔(36)的上述聚光光學系統保持機構(3)的一部分。
5.一種雷射加工頭，包括保持形成有噴嘴孔(11)的噴嘴(4)的噴嘴保持機構(5)和保持聚光光學系統(2)的聚光光學系統保持機構(3)，上述噴嘴保持機構(5)以可密封的方式滑動地配置在上述聚光光學系統保持機構(3)內，還包括使上述噴嘴保持機構(5)及上述聚光光學系統保持機構(3)相對滑動移動的移動機構(6)；和向在上述聚光光學系統保持機構(3)的上述聚光光學系統(2)與上述噴嘴保持機構(5)的上述噴嘴孔(11)之間形成的加工頭空腔(8)供給輔助氣體的輔助氣體供給機構(13)，其特徵在於，具備連通上述加工頭空腔(8)和上述噴嘴保持機構(5)的外部並在上述噴嘴保持機構(5)上形成的通路(39)；在上述通路(39)上以可密封的方式滑動的滑動部件(33)；和連接該滑動部件(33)與上述噴嘴保持機構(5)的連接機構(37)。
6.根據權利要求5所述的雷射加工頭，其特徵在於，垂直於上述滑動部件(33)的滑動方向的平面上的上述滑動部件(33)在上述加工頭空腔(8)側的投影面積與垂直於上述聚光光學系統(2)和上述噴嘴孔(11)之間的光路的光軸(51)的平面上的上述噴嘴保持機構(5)在上述加工頭空腔(8)側的投影面積相等。
7.根據權利要求1至6中任何一項所述的雷射加工頭，其特徵在於，通過上述輔助氣體供給機構(13)供給輔助氣體的加工頭空腔(8)的輔助氣體供給口(13)從上述聚光光學系統(2)與上述噴嘴孔(11)之間的光路的光軸(51)看形成在比上述連接機構更遠處。
8.根據權利要求5至7中任何一項所述的雷射加工頭，其特徵在於，上述連接機構(37)是掛設在設於上述聚光光學系統保持機構(3)上的帶輪(38)上的金屬線(37)。
9.一種雷射加工頭，包括保持形成有噴嘴孔(11)的噴嘴(4)的噴嘴保持機構(5)和保持聚光光學系統(2)的聚光光學系統保持機構(3)，該聚光光學系統保持機構(3)以可密封的方式滑動地配置在上述噴嘴保持機構(5)內，還包括使上述噴嘴保持機構(5)及上述聚光光學系統保持機構(3)相對滑動移動的移動機構(6)；和向在上述聚光光學系統保持機構(3)的上述聚光光學系統(2)與上述噴嘴保持機構(5)的上述噴嘴孔(11)之間形成的加工頭空腔(8)供給輔助氣體的輔助氣體供給機構(13)，其特徵在於，具備在上述聚光光學系統保持機構(3)與上述噴嘴保持機構(5)之間形成的流體空腔(15)；連通上述流體空腔(15)與上述加工頭空腔(8)的通路(32)；和在上述通路(32)上以可密封的方式滑動的滑動部件(33)，在上述聚光光學系統保持機構(3)向減小上述加工頭空腔(8)的體積的方向移動時，上述流體空腔(15)的體積增加，在上述流體空腔(15)與上述通路(32)的上述滑動部件(33)之間填充非壓縮性流體(A)。
10.根據權利要求9所述的雷射加工頭，其特徵在於，上述通路(32)在上述噴嘴保持機構(5)上形成。
11.根據權利要求9所述的雷射加工頭，其特徵在於，上述通路(32)在上述聚光光學系統保持機構(3)上形成。
全文摘要
本發明提供一種雷射加工頭，具備保持形成有噴嘴孔的噴嘴的噴嘴保持機構和保持聚光光學系統的聚光光學系統保持機構，聚光光學系統保持機構在噴嘴保持機構內可密封地滑動，還具備使噴嘴保持機構及聚光光學系統保持機構相對滑動的移動機構；向在聚光光學系統保持機構的聚光光學系統與噴嘴保持機構的噴嘴孔之間形成的加工頭空腔供給氣體的氣體供給機構；連通加工頭空腔和噴嘴保持機構的外部並在噴嘴保持機構上形成的通路；可密封地在通路內滑動的滑動部件；和連接滑動部件與聚光光學系統保持機構的連接機構。由此，不設置副氣體室，能以輕微的力移動聚光光學系統保持機構或噴嘴保持機構。
文檔編號B23K26/14GK1895833SQ20061010131
公開日2007年1月17日 申請日期2006年7月14日 優先權日2005年7月15日
發明者森敦, 岡崎龍馬 申請人:發那科株式會社