CN102834217A - 激光切割方法、激光切割用喷嘴及激光切割装置 - Google Patents

激光切割方法、激光切割用喷嘴及激光切割装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及结构为通过喷嘴主体（11）上形成的喷嘴孔（12），从所述喷嘴孔的开口部照射激光的同时喷出围绕所述激光的辅助气体的激光切割用喷嘴（10）。所述喷嘴孔中，从所述辅助气体流通方向的上游朝向下游，成同轴圆筒状依次形成第一控制流道（12A）、第二控制流道（12B）、第三控制流道（12C）。此外，当第一控制流道的直径为
Figure DDA00002210327000011
第二控制流道的直径为第三控制流道的直径为
Figure DDA00002210327000013
的情况下，满足
Figure DDA00002210327000014
的关系。

Description

激光切割方法、激光切割用喷嘴及激光切割装置
技术领域
本发明涉及一种从开口部照射激光，在该激光的周围喷射辅助气体从而切割被加工件的激光切割方法、激光切割用喷嘴及激光切割装置。本申请主张基于2010年3月29日在日本提出的日本特愿2010-075744号的优先权，并将其内容引用到本申请中。
背景技术
众所周知，在激光切割钢材等被加工件的情况下，从激光振荡器照射出的激光通过聚光透镜集中，加热切割部，同时以围绕该激光的周围的方式从喷嘴喷射辅助气体，边覆盖切割部，边在切割部引发燃烧反应，进行切割，或将通过激光熔融的金属吹散进行切割。
上述激光切割方法中，为了提高加工效率，公开了关于各种激光切割用喷嘴的技术（例如参照专利文献1）。
图7为表示现有激光切割用喷嘴100的纵剖视图。激光切割用喷嘴100在喷嘴主体101的轴线O上对称，喷嘴孔102与轴线O同轴。
以辅助气体流通方向的上游侧为底端侧，下游侧为前端侧的情况下，喷嘴孔102具有锥部103、圆筒部104和锥部105，所述锥部103前端侧从喷嘴主体101的底端侧向喷嘴孔102前端的开口部102A直径收缩，所述圆筒部104与锥部103的前端侧相连接，所述锥部105与圆筒部104的前端侧相连接并朝向开口部102A直径逐渐扩展。
此外，喷嘴主体101的底端侧由形成用于安装激光切割装置的螺纹的圆筒部108构成，在圆筒部108的前端侧形成大径部109，在大径部109的前端侧形成向开口部102A直径收缩的锥部110。
通过上述结构，激光切割用喷嘴100可以有效地进行激光切割。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第1995-214368号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在用现有的喷嘴进行切割的情况下，若切割面的粗糙度大，在切割被加工件后需要用于减小表面粗糙度的加工。因此，需要使切割面的表面粗糙度减小的激光切割技术。
本发明是考虑到上述情况而完成的，目的是提供一种在激光切割被加工材料情况下，可抑制在切割面上产生大的切割伤，使切割面的表面粗糙度变小的激光切割方法、激光切割用喷嘴及激光切割装置。
解决技术问题所使用的手段
为了解决上述技术问题，本发明提出了以下结构方案。
本发明涉及的第一项发明为激光切割用喷嘴，其是通过在喷嘴主体上形成的喷嘴孔，从所述喷嘴孔的开口部照射激光，同时喷出围绕所述激光的辅助气体构成的。而且，所述喷嘴孔具有从所述辅助气体流通方向的上游向下游依次形成的第一控制流道、第二控制流道和第三控制流道。而且，所述第一控制流道与向外周侧扩展的所述第二控制流道相连接，并且所述第二控制流道与向内周侧收缩的所述第三控制流道相连接。
本发明涉及的第二项发明为权利要求1所述的激光切割用喷嘴，所述第一控制流道、所述第二控制流道、所述第三控制流道分别形成为圆筒状，并同轴配置，当第一控制流道的直径为
Figure BDA00002210326800021
第二控制流道的直径为
Figure BDA00002210326800022
第三控制流道的直径为
Figure BDA00002210326800023
的情况下，满足
Figure BDA00002210326800024
的关系。
根据上述发明涉及的激光切割用喷嘴，通过简单的结构可使切割面的表面粗糙度变小。
本发明涉及的第三项发明为本发明涉及的第二项发明的激光切割用喷嘴，其满足
Figure BDA00002210326800031
的关系。
通过上述发明涉及的激光切割用喷嘴，可使切割面的表面粗糙度有效地减小。
本发明涉及的第四项发明为本发明涉及的第三项发明的激光切割用喷嘴，其满足
Figure BDA00002210326800033
的关系。
通过上述发明涉及的激光切割用喷嘴可使切割面的表面粗糙度稳定地减小。即，
Figure BDA00002210326800036
的情况下，若
Figure BDA00002210326800037
的值在1.1以上，则切割面的表面粗糙度稳定地减小。
而且，切割试验的结果对
Figure BDA00002210326800038
的上限值无特别的限制。但是，若
Figure BDA00002210326800039
的值在3.0以下，可抑制激光切割用喷嘴的外形过度地
增大，使得喷嘴的操作简单。
本发明涉及的第五项发明为本发明涉及的第三项或第四项发明的激光切割用喷嘴，当第二控制流道的控制流道长为L2、第三控制流道的控制流道长为L3的情况下，满足
Figure BDA000022103268000310
的关系。
上述发明涉及的激光切割用喷嘴满足
Figure BDA000022103268000311
的关系。因此，切割面的表面粗糙度有效地减小。
本发明涉及的第六项发明具备本发明涉及的第一项至第五项中任意一项的激光切割用喷嘴。
本发明涉及的第七项发明为激光切割方法，其是从在喷嘴主体上形成的喷嘴孔的开口部照射激光的同时，喷出围绕所述激光的辅助气体，对被加工件进行切割。而且，通过所述喷嘴孔从所述开口部喷射辅助气体时，辅助气体依次通过在所述喷嘴孔上形成的第一控制流道、与所述第一控制流道连接并向外周侧扩展的第二控制流道与所述第二控制流道连接并向内周侧收缩的第三控制流道。
通过上述发明涉及的激光切割用喷嘴、激光切割装置、激光切割方法，可使切割面的表面粗糙度减小。
发明的效果
通过上述发明涉及的激光切割用喷嘴、激光切割装置、激光切割方法，可使切割面的表面粗糙度减小。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的激光切割装置的示意图。
图2是对本发明的第一实施方式的激光喷嘴进行说明的纵剖视图。
图3是表示本发明的第一实施方式的激光喷嘴概要的纵剖视图。
图4是对本发明的第一实施方式的激光喷嘴的效果进行说明的附图。
图5是对本发明的第一实施方式的激光喷嘴的效果进行说明的附图。
图6是对本发明的第二实施方式的激光喷嘴进行说明的纵剖视图。
图7是表示现有激光喷嘴概要的纵剖视图。
具体实施方式
下面，参照图1至图3，对本发明的第一实施方式进行说明。
图1为表示第一实施方式的激光切割装置的附图。标记1表示激光切割装置，标记10表示激光切割用喷嘴（以下简称为“喷嘴”）。
激光切割装置1具备喷嘴10、激光振荡器2和辅助气体供给装置3。而且，激光振荡器2产生的激光F从喷嘴10的喷嘴孔12照射的同时，辅助气体供给装置3供给的辅助气体G从喷嘴孔12喷出，使其围绕在激光F的周围。
从喷嘴孔12照射的激光F，在被加工件5的切割部6处聚光。然后，喷嘴孔12喷射的辅助气体G围绕在激光F的周围流动，切割部6的周围被辅助气体G的气氛7覆盖。然后，在激光F加热的切割部6上通过辅助气体G引发燃烧反应，进行切割，或通过吹散激光熔融的金属来进行切割。
辅助气体供给装置3，在0.01~3.0MPa的压力下向喷嘴10供给辅助气体G，所述辅助气体G是混合例如O2、N2、Ar、空气、He等气体或从H2、He中选择的气体而生成的。
图2为表示喷嘴10的概要的附图。
其具有下述外形：喷嘴主体11的底端侧由圆筒部21所构成，所述圆筒部21是形成用于安装于激光切割装置上的螺纹，圆筒部21的前端侧上形成大径部22，在大径部22的前端侧，形成朝向开口部13直径收缩的锥部23；并形成与轴线O同轴的喷嘴孔12。
辅助气体流通方向的上游侧为基底侧，下游侧为前端侧的情况下，在喷嘴孔12中从基底侧开始依次形成辅助气体导入部12D、第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C。
此外，辅助气体导入部12D、第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C在与轴线O同轴上形成。
辅助气体导入部12D的前端侧由锥壁部15构成，所述锥壁部15是形成朝向第一控制流道12A直径收缩的锥形的圆锥形状的一部分。
第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C分别由与轴线O平行的圆筒壁部16、17、18构成。而且，各控制流道如图3所示通过与轴线O正交的台阶连接。
此外，如图3所示，当第一控制流道12A的控制流道长为L1、第一控制流道12A的直径为
Figure BDA00002210326800051
第二控制流道12B的控制流道长为L2、第二控制流道12B的直径为
Figure BDA00002210326800052
第三控制流道12C的控制流道长为L3、第三控制流道12C的直径为
Figure BDA00002210326800053
的情况下，满足
Figure BDA00002210326800054
的关系。
此外，优选满足
Figure BDA00002210326800055
另外，
Figure BDA00002210326800056
Figure BDA00002210326800057
另外，
Figure BDA00002210326800058
的关系。
而且，为了防止在喷嘴内壁部上激光干涉造成切割效率降低的现象，更优选满足的关系。
然后，参照图4对喷嘴10的作用进行说明。
图4为表示使用喷嘴10切割16mm板厚的不锈钢（被加工材料）情况下，第一控制流道12A的直径
Figure BDA00002210326800062
第二控制流道12B的直径
Figure BDA00002210326800063
第三控制流道12C的直径
Figure BDA00002210326800064
与切割面的表面粗糙度的关系的图表。
图4中，横轴表示
Figure BDA00002210326800065
纵轴表示而且，辅助气体G的压力在0.5MPa~3.0Pa范围内切割被加工材料的情况下，△表示表面粗糙度Rz（JISB0601-1994）为50μm以上，与现有处于同等水平，○表示表面粗糙度Rz在30μm以上50μ以下，比现有有所改善，
Figure BDA00002210326800067
表示表面粗糙度Rz低于30μm，与现有相比有大幅度改善。
由图4可以确认以下内容。
（1）且的情况下，表示
Figure BDA000022103268000610
与
Figure BDA000022103268000611
与
Figure BDA000022103268000612
为相同直径的现有的喷嘴。而且，切割面的表面粗糙度当然为现有水平（△）。
（2）
Figure BDA000022103268000613
即在直线S1的上侧，
Figure BDA000022103268000615
的情况下，切割面的表面粗糙度比现有喷嘴的小。
而且，图4中，在
Figure BDA000022103268000616
之间，不显示品质水平。但是，
Figure BDA000022103268000617
的情况下，随着
Figure BDA000022103268000618
的增加，切割面的表面粗糙度提高。具体的为，在
Figure BDA000022103268000619
的范围内，切割面的表面粗糙度从Rz在50μm以上的现有品质（△）的状态依次减小到Rz为50~30μm的改善切割面粗糙度的状态（○）。
此外，
Figure BDA000022103268000620
为1.1~1.3的情况下，切割面的表面粗糙度从Rz为50μm~Rz为30μm的改善切割面粗糙度的状态（○）依次减小到Rz在30μm以下的大幅度改善切割面粗糙度的状态
此外，的情况下，切割面的表面粗糙度为Rz在30μm以下的大幅度改善切割面粗糙度的状态
Figure BDA000022103268000623
而且，切割试验中，以
Figure BDA000022103268000624
的范围作为对象，可确认提高切割面的表面粗糙度。
（3）
Figure BDA00002210326800071
即
Figure BDA00002210326800072
在直线S2的上侧，
Figure BDA00002210326800073
的情况下，切割面的表面粗糙度为Rz在30μm以下的大幅度改善切割面粗糙度的状态
Figure BDA00002210326800074
接着，参照图5，对喷嘴10的作用、效果进行说明。
图5为表示使用喷嘴10切割16mm板厚的不锈钢（被加工材料）的情况下，第一控制流道12A的直径
Figure BDA00002210326800075
第二控制流道长L2，第三控制流道长L3与切割面（切割下部）的表面粗糙度之间关系的附图。
图5中，横轴表示
Figure BDA00002210326800076
纵轴表示切割面的表面粗糙度Rz（μm）。而且，□表示辅助气体G的压力为0.5MPa~3.0Pa的状态下切割的切割面的表面粗糙度中的最大值。
本实验中，使用的喷嘴为：第一控制流道12A的直径
Figure BDA00002210326800077
为4mm，第二控制流道12B的直径
Figure BDA00002210326800078
为10mm，第三控制流道12C的直径
Figure BDA00002210326800079
为7mm。
而且，在范围内评估切割面的表面粗糙度，该范围内激光不产生相对于喷嘴内壁部的干涉。
由图5可以确认以下情况。
（1）切割面的表面粗糙度与无关，显示为比现有良好。而且，随着
Figure BDA000022103268000712
的增加，切割面的表面粗糙度减小，品质提高。
（2）
Figure BDA000022103268000713
的情况下，可得到非常稳定的切割面。
如上所述，通过满足
Figure BDA000022103268000714
的关系，可确保Rz在30μm以下的表面粗糙度稳定。
如上所述，通过喷嘴10、激光切割装置1，激光切割中的切割面的表面粗糙度变小。
其结果，激光切割后，没必要进一步进行用于使切割面表面粗糙度变小的加工。因此，可减少激光切割时的工时，降低成本。
此外，通过喷嘴10，辅助气体G的消耗量和现有的喷嘴的消耗量相同，表面粗糙度变小。
此外，通过满足的关系，可抑制照射的激光F与喷嘴孔12的圆筒壁部16、17、18之间的干涉。
接着，参照图6对本发明的第二实施方式进行说明。
图6为表示第二实施方式的喷嘴40的附图。喷嘴40具有与喷嘴主体11相同形状的外形。而且，喷嘴主体41中形成有在与轴线O同轴上形成的喷嘴孔42。
喷嘴40与喷嘴10的不同点是在喷嘴40中设置辅助气体导入部42A代替喷嘴10中形成为锥状的辅助气体导入部12D，所述辅助气体导入部42A是例如通过在与轴线O正交的面上形成的级差，连接在第一控制流道12A上。其他的由于与第一实施方式相同，赋予同样的标记而省略说明。而且，通过与轴线O平行的圆筒壁部45构成辅助气体导入部42A。
此外，与喷嘴10相同，当第一控制流道12A的控制流道长为L1、第一控制流道12A的直径为
Figure BDA00002210326800082
第二控制流道12B的控制流道长为L2、第二控制流道12B的直径为
Figure BDA00002210326800083
第三控制流道12C的控制流道长为L3及第三控制流道12C的直径为
Figure BDA00002210326800084
的情况下，满足
Figure BDA00002210326800085
的关系。
进而优选满足
Figure BDA00002210326800086
Figure BDA00002210326800087
Figure BDA00002210326800089
的关系。
而且，为了防止在喷嘴内壁部产生激光干涉降低切割效率的现象，与第一实施方式相同，更优选满足
Figure BDA000022103268000812
的关系。
使用喷嘴40时也可得到与喷嘴10相同的作用、效果。
此外，由于喷嘴40的结构简单，可以容易地制造喷嘴40。因此，降低了制造成本。
而且，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离发明宗旨的范围内可有各种改变。
例如，在上述实施方式中，对通过圆锥形状的一部分构成辅助气体导入部12D、由圆筒形状构成辅助气体导入部42A的情况进行了说明。但是，辅助气体导入部12D、42A也可为圆锥形、圆筒形以外的形状。例如，与喷嘴主体11、41的轴线一致的对称轴周围形成的半球面或抛物面等曲面也可为辅助气体导入部的内壁面，以代替辅助气体导入部12D或辅助气体导入部42A。
此外，在激光切割装置的喷嘴安装部形成辅助气体导入部，也可为喷嘴10上不形成辅助气体导入部的构成。
此外，在上述实施方式中，对通过第一控制流道12A、第二控制流道12B和第三控制流道12C分别与轴线O垂直的级差连接的情况进行了说明。但是，第一控制流道12A、第二控制流道12B和第三控制流道12C例如在允许的范围内，也可通过相对于与轴线O正交的面相倾斜的面连接。
此外，上述实施方式中，对第一控制流道12A、第二控制流道12B和第三控制流道12C通过与轴线O同轴的圆筒壁部16、17、18构成的情况进行了说明。但是，第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C的任意一个或全部也可形成为锥形壁部、桶形壁部、鼓形壁部等或其他形状。
此外，圆筒壁部16、17、18也可形成为多边形、椭圆等其他形状或包含这些的形状。
此外，第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C任意一个或全部也可配置在与轴线O不同轴的位置，例如，也可以相对于轴线O偏心配置。
此外，上述实施方式中所示的关于第一控制流道12A、第二控制流道12B、第三控制流道12C的直径、长度的尺寸关系也可不满足上述关系式。例如，并不限定于
Figure BDA00002210326800103
Figure BDA00002210326800104
及
Figure BDA00002210326800105
即，也可不满足上述数学式的一部分或全部。
此外，喷嘴10、40的外形可为任意形状。
此外，上述实施方式中，对将辅助气体G导入喷嘴孔12、42的辅助气体导入部12D、42A在喷嘴主体11、41的底端侧开口的情况进行了说明。但是，例如，辅助气体导入部12D、42A的辅助气体G的流入口也可形成在喷嘴主体11、41的侧部。
工业利用的可能性
通过本发明中的激光切割用喷嘴、激光切割装置、激光切割方法可得到表面粗糙度小的切割面。
附图标记
F：激光；G：辅助气体；O：轴线；1：激光切割装置；5：被加工件；10、40：喷嘴（激光切割用喷嘴）；11、41：喷嘴主体；12、42：喷嘴孔；12A：第一控制流道；12B：第二控制流道；12C：第三控制流道；13：开口部。

Claims (8)

1.一种激光切割用喷嘴，其构成为通过在喷嘴主体上形成的喷嘴孔，从所述喷嘴孔的开口部照射激光的同时，喷出围绕所述激光的辅助气体；
所述喷嘴孔具有从所述辅助气体流通方向的上游向下游依次形成的第一控制流道、第二控制流道和第三控制流道；
所述第一控制流道与向外周侧扩展的所述第二控制流道相连接；
并且所述第二控制流道与向内周侧收缩的所述第三控制流道相连接。
2.根据权利要求1所述的激光切割用喷嘴，其特征在于，所述第一控制流道、所述第二控制流道、所述第三控制流道分别形成为圆筒形状，并同轴配置，当第一控制流道的直径为
Figure FDA00002210326700011
第二控制流道的直径为
Figure FDA00002210326700012
第三控制流道的直径为情况下，满足
Figure FDA00002210326700014
的关系。
3.根据权利要求2所述的激光切割用喷嘴，其特征在于，满足
Figure FDA00002210326700015
Figure FDA00002210326700016
的关系。
4.根据权利要求3所述的激光切割用喷嘴，其特征在于，满足
Figure FDA00002210326700017
Figure FDA00002210326700018
的关系。
5.根据权利要求3或4所述的激光切割用喷嘴，其特征在于，当第二控制流道的控制流道长为L2、第三控制流道的控制流道长为L3情况下，满足
Figure FDA00002210326700019
的关系。
6.一种激光切割装置，其特征在于，具备根据权利要求1~4任意一项所述的激光切割用喷嘴。
7.一种激光切割装置，其特征在于，具备根据权利要求5所述的激光切割用喷嘴。
8.一种激光切割方法，其为从喷嘴主体上形成的喷嘴孔的开口部照射激光的同时，喷出围绕所述激光的辅助气体，对被加工件进行切割；
通过所述喷嘴孔从所述开口部喷射辅助气体时，所述辅助气体依次通过在所述喷嘴孔上形成的第一控制流道、与所述第一控制流道连接向外周侧扩展的第二控制流道以及与所述第二控制流道连接向外周侧扩展的第三控制流道。
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