CN101772397B - 激光加工用喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明可以得到一种激光加工用喷嘴，其具有：主辅助气体喷嘴(2)，其喷出激光束(8)以及主辅助气体；以及副辅助气体喷嘴(5)，其环状地包围该主辅助气体喷嘴，喷出副辅助气体，在主辅助气体喷嘴的内表面设置用于反射激光束的金镀层(12)，由此，即使由激光加工用喷嘴的内表面反射激光束(8)，也可以抑制激光加工用喷嘴的温度上升，可以抑制在激光加工用喷嘴的内表面形成的金镀层(12)的剥离。

Description

激光加工用喷嘴

技术领域

本发明涉及一种安装在激光加工装置中、用于射出激光束的激光加工用喷嘴。

背景技术

激光加工中的切断性能受激光束的输出、激光束相对于被切断材料表面的焦点位置、辅助气体输出、被切断材料表面与激光束喷嘴前端之间的距离等运转条件影响，另外，也依赖于材料的种类、表面状态、品质、组成、厚度等材料条件。其中，激光束的光束强度分布较大地影响其加工性能，重要的是向被切断材料表面有效地照射激光束。

因此，在现有的激光加工用喷嘴中，为了向被切断材料表面有效地照射激光束，而由激光加工用喷嘴的内表面反射从激光振荡器中振荡形成的激光束。在激光加工用喷嘴的内表面，形成如金镀层等高反射材料的镀层。由此，实现激光束的光束强度的均匀化，将对该光束强度进行平均化后的激光束的直径略微放大而使其成为期望的直径，作为能量分布呈圆状形状的形态的激光束，向被切断材料表面照射，从而进行激光切断(例如，参照专利文献1)

专利文献1：日本特开平10-249572号公报

发明内容

在现有的激光加工用喷嘴的结构中，将反射激光束作为前提，通过在其反射面形成金镀层，从而提高反射率，抑制激光加工用喷嘴对激光束的吸收率。但是，仅提高反射率不能抑制激光加工用喷嘴的温度上升，从而产生金镀层的剥离等问题。

另外，作为现有的激光加工用喷嘴的结构，在照射激光束的同时，在该通路中流过辅助气体，以排除熔融金属。由此，虽然也具有激光加工用喷嘴的冷却效果，但对于金镀层的剥离问题，不能说效果充分。

本发明就是为了解决上述课题而提出的，得到一种激光加工用喷嘴，即使由激光加工用喷嘴的内表面反射激光束，也可以抑制激光加工用喷嘴的温度上升，可以防止在激光加工用喷嘴的内表面形成的高反射材料的镀层的剥离。

本发明所涉及的激光加工用喷嘴具有：主辅助气体喷嘴，其喷出激光束以及主辅助气体；以及副辅助气体喷嘴，其环状地包围该主辅助气体喷嘴，喷出副辅助气体，在主辅助气体喷嘴的内表面设置用于反射激光束的反射材料的镀层。

发明的效果

由于本发明具有：主辅助气体喷嘴，其在内表面设置用于反射激光束的反射材料的镀层；以及副辅助气体喷嘴，其环状地包围该主辅助气体喷嘴，所以可以使辅助气体在主辅助气体喷嘴的前端部的内侧和外侧流过，即使利用主辅助气体喷嘴内表面的镀层反射激光束，也可以抑制主辅助气体喷嘴的温度上升。因此，可以抑制主辅助气体喷嘴的内表面的镀层剥离。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的激光加工用喷嘴的纵剖面示意图。

图2是表示本发明的实施方式1中的激光加工用喷嘴的温度上升的曲线图。

图3是表示本发明的实施方式2中的激光加工用喷嘴的激光束照射时的镀层剥离量的曲线图。

具体实施方式

实施方式1

图1是表示用于实施本发明的实施方式1中的激光加工用喷嘴的形状的剖面图。图1(a)是在喷嘴剖面图中追记了辅助气体的流向的图，图1(b)是在喷嘴剖面图中追记了激光束和被加工物的图。如图1所示，激光加工用喷嘴1为具有中央部的主辅助气体喷嘴2和外周部的副辅助气体喷嘴5的双重喷嘴构造。

主辅助气体喷嘴2如图1所示，由位于最内周部的内径为D1的主辅助气体喷嘴喷出口3和与其连接的主辅助气体通道4构成。另外，从未图示的激光振荡器射出的激光束8和由未图示的辅助气体供给部供给的主辅助气体10，通过主辅助气体喷嘴2的内部，从主辅助气体喷嘴喷出口3射出激光束8和主辅助气体10。另外，在主辅助气体喷嘴2的内表面上，通过非电解镀层方法，均匀地形成厚度为大约0.1μm的金镀层12。

副辅助气体喷嘴5如图1所示，在主辅助气体喷嘴2的外周部，由内径为D2的环状的副辅助气体喷嘴喷出口6和与其连接的副辅助气体供给口7构成。在这里，只要D2≥D1即可，但在图1的情况下为D2＞D1。另外，由未图示的辅助气体供给部供给的副辅助气体11，经由副辅助气体供给口7通过内部，从副辅助气体喷嘴喷出口6喷出。另外，主辅助气体喷嘴2的喷出口3与副辅助气体喷嘴5的喷出口6相比，配置在辅助气流10、11的上游侧。由此，喷出口中的辅助气体压力以及辅助气体流速连续地变化，且主辅助气流10的压力变化以及流速变化值增大，从而可以提高加工品质。

下面，说明本实施方式中的激光加工用喷嘴的动作。

激光束8与主辅助气体10一起通过主辅助气体喷嘴2的供给通路即主辅助气体通道4，从主辅助气体喷嘴喷射口3通过副辅助气体喷嘴喷射口6，向被加工物9照射。另外，主辅助气体10以及副辅助气体11，如图1所示，从副辅助气体喷嘴喷出口6喷出，向被加工物9的切断表面供给。在这里，辅助气体为例如氮气。另外，通过将激光束8照射在主辅助气体喷嘴2的内表面的金镀层12部分上，从而优化激光束8的强度分布，实现高品质加工。此时，对于主辅助气体喷嘴2，由于利用主辅助气体10对内表面进行冷却，利用副辅助气体11对外表面进行冷却，所以可以抑制由激光束8的干涉引起的主辅助气体喷嘴2的温度上升，可以抑制金镀层12的剥离等。

另外，在激光加工用喷嘴中，虽然当前也使用双重喷嘴，但其目的在于，将主辅助气体的流速及喷嘴位置设置在最适合加工的位置上，并且，使防护完备化以避免空气被卷入至加工部，从而稳定地进行高速、高品质加工。即，双重喷嘴始终是用于提高加工品质，而根本不是用于冷却喷嘴，利用双重喷嘴来减轻内侧喷嘴的金镀层的剥离这一点，是发明人首次发现的。

下面，说明针对本实施方式的减轻金镀层剥离的效果进行测定后的结果。测定条件如下所述。

主辅助气体喷嘴2的内径D1为1.5mm，副辅助气体喷嘴5的内径D2为4mm。激光振荡器为二氧化碳激光振荡器，激光输出为4000W。主辅助气体喷嘴的喷出口3与副辅助气体喷嘴的喷出口6相比配置在辅助气流的上游侧5mm处，辅助气体的压力设定为1.5MPa。

另外，对于激光束8照射至金镀层12的方式，可以如现有技术那样进行多重反射，但由于还具有通过使激光束8的周边部与金镀层12干涉而调整光束强度分布，从而显著提高加工品质这样的实验结果，所以在本测定中，采用仅激光束8的周边部照射至金镀层12的结构。在这里，为了使激光束8的周边部照射至金镀层12，使激光束的焦点位置变化而进行照射，在本实施方式的情况下，激光束8的焦点位置设定在与激光加工用喷嘴的前端相距8mm的位置上。

在图2中示出上述测定条件下的激光束照射时间和喷嘴温度上升的测定结果。在图2中，◆为主辅助气体和副辅助气体都没有供给的情况下的值，□为没有供给副辅助气体而仅供给主辅助气体的情况下的值，▲为主辅助气体和副辅助气体一起供给的本实施方式中的值。

在图2中，通过比较◆和▲可知：在主辅助气体喷嘴的外侧存在副辅助气流的本实施方式的激光加工用喷嘴中，与没有辅助气体的情况相比，喷嘴的饱和温度可以抑制大约90％。而且，通过比较□和▲明确可知：即使与仅有主辅助气体的情况相比，饱和温度也可以抑制大约70％程度，本实施方式中的激光加工用喷嘴的冷却效果较高。

在本实施方式的激光加工用喷嘴中，对由于激光束在喷嘴内表面的金镀层上反射而引起温度上升的主辅助气体喷嘴，利用主辅助气体以及副辅助气体进行主辅助气体喷嘴的冷却，因此，可以抑制激光加工用喷嘴的温度上升。由此，可以减轻设置在主辅助气体喷嘴的内表面上的金镀层的剥离。

此外，在本实施方式中利用双重喷嘴进行了说明，但只要在主辅助气体喷嘴的外侧使辅助气体流过即可，也可以是大于或等于3重的多重喷嘴。另外，虽然将辅助气体作为氮气进行了说明，但不特别限定种类，只要与加工条件对应地设定即可。另外，主辅助气体喷嘴的内表面的金镀层的材质不限定于金，只要是可以高效地反射激光束的高反射材料即可。

实施方式2

另外，现有的激光加工用喷嘴的材质使用黄铜。因为在使用黄铜的情况下，切削性良好，可以减少喷嘴自身的加工成本及加工时间。在实施方式1中，主辅助气体喷嘴的材质也与现有技术相同地使用黄铜，但在本实施方式中，在以铜为材质的主辅助气体喷嘴上形成金镀层。这是为了减轻以下情况：在黄铜等热传导较小的材料中，由于相对于吸收激光而发生的温度上升，热量的扩散较小，所以容易使激光加工用喷嘴的温度上升，其结果是，促进金镀层的剥离·熔融。即，本实施方式的目的在于，通过在热传导率较大的铜上形成金镀层，增大热量的扩散，从而进一步减轻金镀层的剥离·熔融。

本实施方式中的激光加工用喷嘴的结构，除了主辅助气体喷嘴的材质为铜这一点以外，与实施方式1的图1相同，所以省略对结构及动作的说明。

下面，对将激光加工用喷嘴的材质从黄铜变为铜所得到的效果进行测定。测定的条件与实施方式1的图2相同，准备黄铜制的喷嘴和铜制的喷嘴，在铜条件下测定金镀层的剥离程度。在这里，铜使用纯铜C1100。

图3表示测定激光束的输出和激光加工用喷嘴的金镀层剥离比例后所得到的结果。将激光束的照射时间设为600秒。在这里，所谓剥离比例，表示金镀层的剥离面积相对于主辅助气体喷嘴的内侧面积(图1中的形成金镀层的面积)的比例。如图3所示，在激光束的输出为4000W时，与主辅助气体喷嘴的材质为现有的黄铜的情况相比，通过采用本实施方式中的铜，与现有的剥离比例相比较可以降低大约80％。

本实施方式中的激光加工用喷嘴，将具有高热传导的铜作为主辅助气体喷嘴的母材，通过对其形成金镀层，与实施方式1中的激光加工用喷嘴相比，可以进一步减少金镀层的剥离·熔融。由此，可以实现长时间的稳定的加工。

此外，铜的热传导率在700℃下为354W·m^-1·K^-1，但激光加工用喷嘴中的主辅助气体喷嘴的材质，只要是具有大于或等于铜的热传导率的材质即可，不特别限定是哪种材质。

工业实用性

本发明所涉及的激光加工用喷嘴安装在激光加工装置中，作为用于射出激光束的激光加工用喷嘴而使用。

Claims (5)

1.一种激光加工用喷嘴，其特征在于，具有：

主辅助气体喷嘴，其具有用于喷出激光束以及主辅助气体的喷出口，在该主辅助气体喷嘴的内表面具有用于反射激光束的反射材料的镀层；以及

副辅助气体喷嘴，其设置在所述主辅助气体喷嘴的外周部，从环状的喷出口喷出副辅助气体，

利用所述主辅助气体以及所述副辅助气体进行所述主辅助气体喷嘴的冷却。

2.如权利要求1所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

所述主辅助气体喷嘴的内表面的镀层为金镀层。

3.如权利要求1或2所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

所述主辅助气体喷嘴的材质的热传导率大于或等于铜的热传导率。

4.如权利要求3所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

所述主辅助气体喷嘴的材质为铜。

5.如权利要求1所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

所述主辅助气体喷嘴的喷出口与所述副辅助气体喷嘴的喷出口相比，配置于辅助气流的上游侧。

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