JP2007313545A

JP2007313545A - レーザー加工装置用アシストガス供給方法およびレーザー加工機用アシストガス混合装置。

Info

Publication number: JP2007313545A
Application number: JP2006146648A
Authority: JP
Inventors: Koji Aida; 広司会田; Komei Shioji; 功明塩地
Original assignee: TG SHOWA KK
Current assignee: TG SHOWA KK
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】レーザー加工装置のアシストガス供給方法において、アシストガスに含まれる酸素ガスの濃度を任意に管理できるレーザー加工装置用アシストガスの供給方法を提供する。
【解決手段】アシストガス供給源２から供給されるアシストガスにレーザー加工機駆動用圧縮空気供給源３−１から供給される圧縮空気を混合した混合ガスをレーザー加工機に供給するレーザー加工機用アシストガス混合装置４において、アシストガス供給源２からアシストガスを供給するアシストガス供給配管５１と駆動用圧縮空気供給源３−１から圧縮空気を供給する圧縮空気供給配管５２とが接続され、圧縮空気供給配管５２に圧縮空気供給源３から供給される圧縮空気の微小な流量を制御可能な流量制御弁を設け、アシストガス供給配管５１の下流と圧縮空気供給配管５２の下流を接続し、アシストガスに圧縮空気を管理して混合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー加工装置用のアシストガス供給方法およびレーザー加工機用アシストガス混合装置に関する。

レーザー加工装置では、鋼板やステンレス鋼板などの被切断材に対するレーザー切断を、レーザートーチから被切断材に向けてレーザー光を照射して被切断材を溶融し蒸発させると同時に、レーザートーチからアシストガスを噴射して被切断材を燃焼させるとともに、アシストガスの噴射エネルギーによって溶融物を被切断材から排除するというプロセスを継続させつつレーザートーチを所望の方向に移動させることで行っている。

このようなレーザー加工装置においては、レーザー切断した被切断材では、切断部位が大気中における高温下の反応を維持することから、切断面が酸化して変色あるいは変質して品質が劣化するという問題を有している。

レーザー加工装置向けに供給されるアシストガスは、主に窒素ガスまたは窒素と空気（酸素）の混合ガスからなる高圧ガスが用いられている。このアシストガスの供給方法は、一般に販売されている窒素ガスを貯槽または容器に受け入れ、ここからレーザー加工機に供給する方法、あるいは分離膜やＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いた窒素発生装置を設置し、自家発生した窒素ガスを供給する方法などが用いられている。

また、レーザー加工装置においては、数値制御加工機に倣いＸ−Ｙテーブル上にレーザーノズルを装備したレーザー加工機１を載置し、レーザーノズルを移動させて加工している。このようなレーザー加工装置においては、図３に示すように、レーザー加工装置に被切断材を搬入搬出するために圧縮空気を用いて、被切断材を移動させており、外販窒素２１を用いた窒素ガス、または、窒素発生器用圧縮空気供給源３−２から供給された圧縮空気を用いてＰＳＡ発生器２２または分離膜２３によって得た窒素ガスからなるアシストガス供給源２からのアシストガスと、駆動用圧縮空気供給源３−１系統のガスがレーザー加工機１にそれぞれ供給されている。

レーザー加工装置におけるアシストガスの役割は、レーザーによって加熱された被切断材の金属の蒸気などを加工箇所から排出することにある。このアシストガスの圧力やアシストガスに含まれる微量の酸素成分は、レーザー加工機の金属切断加工品に顕著な影響を及ぼすことが知られているが、アシストガス中に含まれる酸素濃度の管理は、ガス供給方法すなわちアシストガス供給源の態様により決まってしまい、自由に酸素濃度を管理することができず、成り行きの管理しかできない不自由な面がある。すなわち、外販窒素ガスの残留酸素濃度は０ｐｐｍ程度であり、ＰＳＡ発生による窒素ガスの残留酸素濃度は１０ｐｐｍ程度であり、分離膜発生による窒素ガスの残留酸素濃度は、数パーセント程度である。

レーザー加工装置において、被切断材に対しレーザー光を照射するとともに、酸素ガス、空気、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス、不活性ガスの中から選択されたガスをアシストガスとして供給し、このアシストガスに沿って、空気、水素を含む可燃性ガス、不活性ガス、炭酸ガスの中から選択されたガスを二次気流として噴射することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような、アシストガスの供給方法では、二次気流としてのガスを供給しなければならず装置が複雑化する恐れがある。
特開２００１−３８４８１号公報

本発明は、レーザー加工装置のアシストガス供給方法において、アシストガスに含まれる酸素ガスの濃度を任意に管理できるレーザー加工装置用アシストガスの供給方法およびレーザー加工機用アシストガス混合装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるレーザー加工装置用アシストガス供給方法が適用されるレーザー加工機の構成を、図１を用いて説明する。レーザー加工装置は、レーザー加工機１と、アシストガス供給源２と、駆動用圧縮空気供給源３−１と、窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２と、ガス混合装置４とを有して構成される。

レーザー加工機１は、従来のアシストガスを用いるレーザー加工機であってよい。すなわち、レーザー加工機１は、レーザー発振器から導かれるレーザー光の周囲にアシストガスを供給する構造を有するノズルを用いたレーザー加工機である。

アシストガス供給源２は、例えばボンベ詰めの外販窒素２１を用いた窒素ガス、または、窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２から供給される圧縮空気が供給されるＰＳＡ発生器２２または分離膜２３によって得た窒素ガスからなり、アシストガス供給配管５１を経由してガス混合装置４へ供給される。このアシストガス供給源２から供給されるアシストガス（窒素ガス）は、残留酸素ガス濃度がそれぞれの取得方法ごとにほぼ一定に保たれている。例えば、外販窒素ガスの残留酸素濃度はおよそ０ｐｐｍ程度であり、ＰＳＡ発生による窒素ガスの残留酸素濃度はおよそ１０ｐｐｍ程度であり、分離膜発生による窒素ガスの残留酸素濃度は数パーセント程度である。アシストガス供給源からのアシストガスの圧力は、例えば、０．５〜５．０ＭＰａとすることができる。

アシストガス供給源２のＰＳＡ発生器２２による窒素ガスの供給は、例えば、図示を省略した空気圧縮機によって圧縮された窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２からの圧縮空気をＮ_２ＰＳＡ（ＰＳＡ式窒素ガス発生器）に供給して４Ｎ（９９．９９％）の窒素ガスを得た後、水素ガス添加による触媒燃焼式の精製装置を経由して５Ｎ（９９．９９９％）の窒素ガスを得、この窒素ガスを０．５〜５．０ＭＰａに昇圧し、高圧タンクに蓄積している。高圧タンクからの窒素ガスは、減圧弁を介してガス混合装置４へ供給される。

同様に、アシストガス供給源２の分離膜発生器２３による窒素ガスの供給は、例えば、図示を省略した空気圧縮機によって圧縮された窒素発生器用原料圧縮ガス供給源３−２からの圧縮空気を分離膜発生器２３に供給して９８％〜９９％の窒素ガスを得、この窒素ガスを０．５〜５．０ＭＰａに昇圧し、高圧タンクに蓄積している。高圧タンクからの窒素ガスは、減圧弁を介してガス混合装置４へ供給される。

駆動用圧縮空気供給源３−１は、圧縮空気（圧縮酸素）をレーザー加工機１へ供給する手段であり、例えば、図示を省略した圧縮機を経由して圧力が、例えば０．７ＭＰａに高められた圧縮空気を供給する手段である。駆動用圧縮空気供給源３−１から、圧縮空気供給配管５２を経由してレーザー加工機１の駆動機構と圧縮空気（酸素ガス）配管５２を経由してガス混合装置４へ圧縮空気が供給される。さらに、窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２からは、窒素発生器用圧縮空気供給配管５３を経由してアシストガス供給源２のＰＳＡ発生器２２および分離膜２３ならびにガス混合装置４へ圧縮空気が供給される。

窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２は、窒素発生器用原料圧縮空気もしくはボンベ入り圧縮空気とすることができる。また、駆動用圧縮空気供給源３−１と窒素発生器用原料圧縮空気供給源３−２とを、共用することができる。さらに、ガス混合装置４へ供給される酸素としてボンベ入り酸素を用いることができる。

ガス混合装置４は、レーザー加工機１のアシストガス供給配管５４に窒素ガスと酸素ガス（圧縮空気）の混合ガスを送出する手段である。ガス混合装置４は、レーザー加工機１の激しい消費流量変動に対しても一定の酸素濃度を保持するための等圧器および絞り弁（オリフィス）などの機構を有している。レーザー加工機１に供給されるレーザー加工装置駆動用圧縮空気の圧力は、例えば、０．７ＭＰａである。また、ガス混合装置４には、アシストガス供給源２から供給されるアシストガスに圧縮空気供給配管５２から供給される圧縮空気を混合するために、アシストガス圧力より０．０５ＭＰａ以上高い圧縮空気圧力とするための増圧弁が設けられる。この増圧弁で、アシストガスの供給圧力よりも例えば０．０５ＭＰａほど高い圧力とされて、圧縮空気すなわち圧縮酸素がアシストガスに注入される。酸素を注入するための流量制御弁には、任意に酸素添加濃度を設定できるように、固定素子の絞り弁（オリフィス）ではなくニードル弁を使用する。

ガス混合装置４からは、前記混合ガスが混合ガス送出配管５４を介してレーザー加工機１へ供給される。

図２を用いて、本発明のガス混合装置４の構成の一例を説明する。本発明にかかるレーザー加工装置用アシストガス供給方法を実施するガス混合装置は、この実施例に限定されるものではなく、レーザー加工装置の激しい消費流量変動に対しても一定の酸素濃度を維持する働きを有するガス混合装置であればよい。

ガス混合装置４は、例えば、窒素ガス配管４８１に設けた窒素ガス用電磁弁（開閉弁）４１および絞り弁（オリフィス弁）４６と、圧縮空気（酸素）配管４８２に設けた等圧器４２および圧縮空気（酸素）の流量を測定する空気用流量計４３ならびに空気用電磁弁（開閉弁）４４およびニードル弁からなる空気微流量調節弁４５とを有している。窒素ガス供給管４８１のオリフィス弁４６の下流と圧縮空気（酸素）供給配管４８２の空気微流量調節弁４５の下流は混合点Ａで接続されて混合ガス送出配管４８３となっている。窒素ガス供給配管４８１の上流は窒素ガス接続部４７１が、圧縮空気（酸素）供給配管４８２の上流は圧縮空気接続部４７２が、混合ガス送出配管４８３の下流には混合ガスタンク４７、圧力スイッチ４８、混合ガス送出部４７３がそれぞれ設けられている。

ガス混合装置４へ供給される圧縮空気（酸素）は、窒素ガスの供給圧力よりも少なくとも０．０５Ｍｐａ以上高いことが望ましい。すなわち、等圧器４２は、窒素ガス配管４８１を流れる窒素ガスの圧力より圧縮空気（酸素）配管４８２を流れる圧縮空気（酸素）の圧力が０．０５Ｍｐａ以上高くなるように圧力を制御する。

窒素ガス用電磁弁４１と圧縮空気用電磁弁４４は、例えば、レーザー加工機１を動作させるオン信号によって開とされ、レーザー加工機１の動作を停止させるオフ信号によって閉とされる。あるいは、ガス混合装置４の混合ガスタンク４７に設置される、圧力スイッチ４８の圧力降下によるオン信号によって開とされ、圧力上昇によるオフ信号によって閉とされる。等圧器４２は、混合点Ａにおける圧縮空気配管４８２内の圧縮空気圧力を窒素ガス配管４８１内の窒素ガス圧力とほぼ等しく（厳密には、前述のように圧縮空気の圧力が窒素ガスの圧力より０．０５Ｍｐａ以上高く）なるように調整して窒素ガスと酸素ガスの混合比を所定の値とする。空気用流量計４３は、圧縮空気配管４８２を流れる空気の流量を表示する手段である。空気微流量調節弁４５は、ニードル弁からなり、圧縮空気配管４８２を流れる圧縮空気（酸素）の流量を微調整できる流量調節弁である。オリフィス弁４６は、窒素ガス配管４８１内を流れる窒素ガスの流量を一定に保つ弁である。

このようなガス混合装置４を用いることによって、レーザー加工機１に供給されるアシストガスの組成を切断する材料に対応した組成にきわめて高精度に管理することができる。例えば、アルミニウムの切断にあっては、数１００ｐｐｍの酸素ガスの割合が望ましく、ステンレス鋼の切断にあっては、数パーセントの酸素の割合が好ましい。このことにより、本発明は、下記のような効果を奏することができる。
（１）アシストガスを得る方法の如何に関わらずアシストガスと酸素ガスの割合を任に管理することができるので、切断加工品質の均一化を図ることができる。
（２）素材や板圧の異なる各種の金属材料６に対して最適な酸素濃度に調整して切断加工できるので、例えば、図４（ａ）に示すようなアシストガスとしてＮ_２ガス（９９．９９９％）を用いた場合に切断加工時に下面に付着するドロス６１の発生を、Ｎ_２にＯ_２を数１００ｐｐｍ添加することによって図４（ｂ）に示すように抑制することができ、さらに、切断面の防錆に必要な酸化皮膜の厚みを任意の厚みに制御でき、顧客の様々な要望に対応することができる。
（３）既設のガス供給ラインを生かして任意の酸素濃度のアシストガスを供給することができるので、新たなガス供給ラインを設けることを必要とせず、ガス供給ラインの一元化を図ることができる。

上記の説明では圧縮空気に代えて圧縮酸素を用いることを示唆したが、アシストガスと酸素との混合比率は、圧縮酸素を用いるときには、圧縮酸素の流量と窒素ガスの流量から混合比率を得ることができ、圧縮空気を用いるときには、圧縮空気の流量および窒素ガスと酸素ガスの分圧と、窒素ガスの流量を用いることによって所望の混合比率を得ることができる。

上記の説明では、アシストガスとして窒素ガスを示したが、不活性のガスであれば酸素の濃度を任意の濃度に管理でき、アシストガス中の酸素の働きを管理することができるので、なんら問題なく本発明を適用することができる。

本発明にかかるレーザー加工装置用アシストガス供給方法が適用されるレーザー加工装置の概要を説明する概念図。本発明にかかるレーザー加工装置用アシストガス混合装置の構成の概要を説明する図。従来のレーザー加工装置用アシストガス供給方法が適用されるレーザー加工装置の概要を説明する概念図。従来のレーザー加工装置用アシストガス供給方法を用いた場合の金属断面のドロス発生状況比較図。

符号の説明

１：レーザー加工機、２：アシストガス供給源、２１：外販窒素ライン、２２：ＰＳＡ発生窒素ライン、２３：分離膜発生窒素ライン、３−１：駆動用圧縮空気供給源、３−２：窒素発生器用原料圧縮空気供給源、４：ガス混合装置、４１：窒素ガス用電磁弁、４２：等圧器、４３：空気用流量計、４４：空気用電磁弁、４５：空気微流量制御弁（ニードル弁）、４６：オリフィス弁、４７：混合ガスタンク、４７１：窒素ガス接続部、４７２：圧縮空気接続部、４７３：混合ガス送出部、４８：圧力スイッチ、４８１：窒素ガス配管、４８２：圧縮空気配管、４８３：混合ガス送出配管、５１：アシストガス供給配管、５２：圧縮空気供給配管、５４：混合ガス供給配管。

Claims

アシストガスに酸素を混合してレーザー加工機に供給するレーザー加工機用アシストガスの供給方法であって、
前記アシストガスに混合する前記酸素を微小な流量まで制御可能な流量制御弁を介して流量を管理して供給することを特徴とするレーザー加工機用アシストガスの供給方法。
レーザー加工機駆動用圧縮空気または窒素発生器用原料圧縮空気またはボンベ入り圧縮空気もしくはボンベ入り酸素のいずれかの酸素供給源とアシストガス供給源とを有しアシストガスに酸素を混合するようにしたレーザー加工機用アシストガスの供給方法であって、
前記酸素供給源から供給される酸素は、
アシストガスの圧力よりも高い圧力で供給され、
前記アシストガスに混合する酸素を微小な流量まで制御可能な流量制御弁を介して流量を管理して供給する
ことを特徴とするレーザー加工機用アシストガスの供給方法。
請求項１または請求項２記載のレーザー加工機用アシストガスの供給装置において、前記微小な流量を制御可能な流量制御をニードル弁を用いて行う
ことを特徴とするレーザー加工機用アシストガスの供給方法。
アシストガス供給源からのアシストガスに酸素ガス供給源からの酸素ガスを混合した混合アシストガスをレーザー加工機に供給するレーザー加工機用アシストガス混合装置において、
アシストガス供給源からのアシストガスを酸素ガスとの混合点に供給する開閉弁とアシストガスの流量を制御する絞り弁とを有する窒素ガス配管と、
酸素ガス供給源からの酸素ガスをアシストガスとの混合点に供給する酸素ガス配管と
を備え、
前記酸素ガス配管が、酸素ガス配管の酸素ガス圧力がアシストガス配管のアシストガス圧力と等しくなるように調節する等圧器と、開閉弁と、酸素ガスの流量を制御する流量制御弁とを備え、
前記混合点の下流に混合ガスタンクを備えた
ことを特徴とするレーザー加工機用アシストガス混合装置。
請求項４記載のレーザー加工機用アシストガス混合装置において、
前記酸素ガス供給源が、前記レーザー加工機駆動用圧縮空気または窒素発生器用原料圧縮空気もしくはボンベ入り酸素供給源のいずれからの酸素ガスを供給する酸素ガス供給源であり、
前記酸素ガス供給配管に設ける前記流量制御弁が、酸素ガスの微小な流量を制御可能な流量制御弁である
ことを特徴とするレーザー加工機用アシストガス混合装置。
請求項４記載のレーザー加工機用アシストガス混合装置において、前記酸素ガス供給配管に設ける微小な流量を制御可能な流量制御弁がニードル弁であることを特徴とするレーザー加工機用アシストガス混合装置。