JP2009154189A

JP2009154189A - レーザ加工用ノズルの切断性能評価方法およびその装置並びにレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置を備えたレーザ切断加工機

Info

Publication number: JP2009154189A
Application number: JP2007336316A
Authority: JP
Inventors: Toshimitsu Kurakane; 寿充倉金; Hiroshi Sako; 宏迫
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: JP4966846B2

Abstract

【課題】レーザ切断加工を行う以前に個々のレーザ加工用ノズルの切断性能を定量的に判定できるレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法およびその装置並びにレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置を備えたレーザ切断加工機の提供。
【解決手段】レーザ加工用ノズル11から噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口23を備えた衝撃圧力測定器21を設け、前記アシストガス流入口と前記ノズルとの間の距離であるノズル間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することを特徴とするレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法および装置。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法およびその装置並びにレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置を備えたレーザ切断加工機に関する。

レーザ加工に使用されるノズルの形式には、ノズルの形状が下方に収束する円錐形状の標準ノズル（Conical Cylindrical Nozzle,CCNと略記）と、図３に示す如き、流路面積が一端狭まりその後広がるような形状を有するラバールノズルＬＮとも呼ばれる超音速ノズル（Super Sonic Nozzle,SSNと略記）とがある。

超音速ノズル（SSN）では、図３（ａ）に示すように、ノズル出口に到達したアシストガスの圧力をＰｅ、ノズル外の大気圧（または背圧）をＰａとするとき、Ｐｅ＝Ｐａになるように製作された超音速ノズル（SSN）の場合、適正膨張の状態でガスが流れるので、ガス流速および密度を広い範囲で定常状態に保持することが可能となり、高ギャップ（ワークとノズル先端との距離、すなわちノズルギャップが大なること）でレーザ切断を行うことができる。そのため、加工中のスパッタやワークとノズルとの接触による損傷を受け難いなどの長所がある。

一方、標準ノズル（CCN）はノズルの口径が数種類あり、加工する材料の種類やその板厚などによって、ノズルの口径およびアシストガスの供給圧力を決定してレーザ切断加工を行っている。また、ノズルから噴射されたアシストガスの状態は、図３（ｂ）に示す如き、超音速ノズル（SSN）でいうところの不足膨張（Ｐｅ＞Ｐａ）の状態でアシストガスが流れるので、ノズルギャップを大きくするとアシストガスガスの圧力が急激に低下して切断加工ができなくなる。そのため、ノズルギャップを小さく設定して切断加工を行わなければならず、ノズル先端部にスパッタが付着し易く、またワークとノズルとの接触による損傷の可能性も大きい。

前述の標準ノズル（CCN）および超音速ノズル（SSN）の性能検査は、通常は圧力−流量測定や、流量密度分布測定などの検査方法により性能検査が行われている。その他に、例えば、超音速ノズル（SSN）の上流側に集音マイクロホンを設置し、超音速ノズル（SSN）内の気体の流速が超音速範囲に達すると、超音速ノズル（SSN）内で発生する音は集音マイクロホンに達することがないので、この境界の変化を検出して超音速ノズル（SSN）の音速維持範囲を検出するものがある（例えば、特許文献１）。
特開平０７−２８０６２９号公報

しかしながら、標準ノズル（CCN）は一度に大量生産されるため、性能検査が行われないものもあり、使用開始の最初から切断加工不良を起こすものもある。また、超音速ノズル（SSN）の場合、Ｐｅ＝Ｐａの条件を満足して、適正膨張の状態でガスが流れるように製作しても、ガスの流れの状態はノズル内面の加工形状の影響を大きく受けるため、完全な適正膨張の状態のアシストガス流を作り出すのは困難であった。そのため、レーザ切断加工時のノズルギャップに対して切断が不安定な領域が存在していた。

また前述の切断不安定領域も、ノズルの加工精度に著しく依存しており、ノズルによってどんなノズルギャップの場合に、その切断不安定領域が存在するのかは実際にノズルを加工してみないと分からなかった。いずれにしても、ノズルの加工精度がレーザ加工精度を左右するという事実が判明しているにも関わらず、ノズルの加工精度の良否を定量的に、かつレーザ加工に先立って知ることができなかった。

本発明は上述の如き従来技術の問題を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、レーザ切断加工を行う以前に個々のレーザ加工用ノズルの切断性能を定量的に判定できるレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法およびその装置並びにレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置を備えたレーザ切断加工機を提供することである。

上述の課題を解決する手段として請求項１に記載のレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法は、レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器を設け、前記アシストガス流入口と前記ノズルとの間の距離であるノズル間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することを要旨とするものである。

請求項２に記載のレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置は、レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器を設け、前記レーザ加工用ノズルを前記衝撃圧力測定器のアシストガス流入口と同軸に設けると共に、前記アシストガス流入口に対する間隙を連続的または段階的に位置決め自在に設け、前記レーザ加工用ノズルの間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することを要旨とするものである。

請求項３に記載のレーザ切断加工機は、レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器をレーザ切断加工機のワークテーブルに設け、前記レーザ加工用ノズルを前記衝撃圧力測定器のアシストガス流入口の軸心に移動位置決め可能に設け、該レーザ加工用ノズルの前記アシストガス流入口に対する間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定可能にしたことを要旨とするものである。

本発明によれば、切断加工前にレーザ加工用ノズルからワークに対して噴射されるアシストガスの衝撃圧力を測定して、この衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することができる。

またどんなノズルギャップの場合にその切断不安定領域が存在するのか、また、ノズルの加工精度の良否を定量的に、かつレーザ加工に先立って知ることができる。すなわち、レーザ加工用ノズルの製造加工時の加工精度の差による、レーザ加工精度に対する影響を回避することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。

図１は本発明に係るレーザ切断加工機１の要部の説明図であり、第２図はこのレーザ切断加工機１に設けられた衝撃圧力測定器２１の説明図である。なお、レーザ切断加工機１は公知のレーザ加工機であるのでその詳細な説明は省略する。

図１に示すように、レーザ切断加工機１のワークテーブル３には、このワークテーブル３の上方を跨いでＹ軸方向（Ｘ軸方向に直交）に延伸する門形のＸ軸キャリッジ５が設けてあり、このＸ軸キャリッジ５は、図示省略のガイド手段を介して数値制御装置７の制御の下にＸ軸方向の適宜な位置へ移動位置決め自在に設けてある。

ワークテーブル３の上方に位置するＸ軸キャリッジ５には、レーザ加工ヘッド９が前記数値制御装置７の制御の下にＹ軸方向とＺ軸方向（Ｘ、Ｙ軸方向に直交）の適宜な位置へ移動位置決め自在に設けてある。

このレーザ加工ヘッド７には、レーザ発振器（図示省略）から導かれたレーザ光をワークＷの表面に集光する集光レンズの如き光学系（図示省略）が設けてある。

また、レーザ加工ヘッド９の下部には、レーザ加工時に前記集光レンズで集光されたレーザ光と共にワーク表面の加工部へ酸素または窒素ガス等のアシストガスを噴射するためのレーザ加工用ノズル１１が設けてある。

前記レーザ加工用ノズル１１には、ノズルの形状が下方に収束する円錐形状の標準ノズル（Conical Cylindrical Nozzle,CCNと略記）または、図３に示す如く流路面積が一端狭まり、その後広がるような形状を有するラバールノズルＬＮとも呼ばれる超音速ノズル（Super Sonic Nozzle,SSNと略記）とが着脱交換自在に設けてある。

レーザ切断加工機１のワークテーブル３には、前記レーザ加工用ノズル１１から噴射されるアシストガスのワーク表面における衝撃圧力を測定するための衝撃圧力測定器２１が設けてある。

この衝撃圧力測定器２１のワークテーブル３への取り付け位置は、レーザ加工時に邪魔にならないように通常のレーザ加工を行う領域からはずれた適宜な位置に設けてある。

この衝撃圧力測定器２１には、前記レーザ加工用ノズル１１から噴射されるアシストガスが流入可能な円形の流入口２３を備えた測定面板２５を備えており、前記流入口２３の直径は、集光されたレーザ光の特性と切断溝幅を考慮して、直径が０．１〜０．５ｍｍに設定してある。

前記測定面板２５には、アシストガスの衝撃圧力を検出するための圧力センサー２７が設けてあり、この圧力センサー２７は信号線２９を介して前記数値制御装置７に接続してある。なお、前記測定面板２５の表面位置は切断されるワークの表面位置と同一の水準に調節可能に設けてある。

前記衝撃圧力測定器２１の計測回路の概要を図２により説明する。

前記圧力センサー２７の出力が電源３５に接続されたアンプ３１を介してデータロガー（DATA LOGGER）３３に収集入力される様に接続してある。また、このデータロガー３３と前記数値制御装置７とが接続してあり、データロガー３３は数値制御装置７の測定用のプログラムにより制御されるようになっている。

上述の衝撃圧力測定器２１で、レーザ加工用ノズル１１の衝撃圧力を測定する場合には、まず始めに、レーザ切断加工機１の数値制御装置７の測定用のプログラムによる指令により、レーザ加工ヘッド９に取り付けられたレーザ加工用ノズル１１の中心と、衝撃圧力測定器２１のアシストガスが流入可能な円形の流入口２３との中心が一致するようにレーザ加工ヘッド９を移動位置決めし、次いで、レーザ加工用ノズル１１の下端面のＺ軸座標値が前記測定面板２５の表面位置（Ｚ軸座標値：Ｚ＝０、ノズルギャップ：Ｇ＝０）に一致するように原点設定を行う。

この原点設定位置（Ｚ軸座標値：Ｚ＝０、ノズルギャップ：Ｇ＝０）から、測定用のプログラムによる指令により、測定範囲（０．５ｍｍ〜１０ｍｍ）内でＺ軸座標を段階的に０．５ｍｍずつ上昇させていき、この時の各ノズルギャップ位置におけるアシストガスの衝撃圧力[MPa]をデータロガー３３を介して数値制御装置７に読み込んで、ノズルギャップ[mm]と衝撃圧力[MPa]との関係を記録する。なお、Ｚ軸座標を連続的に上昇させながら衝撃圧力を測定しても良い。

図４は、ノズル径が２．０[mm]で０．８[MPa]仕様で製作された２個の超音速ノズル（SSN）Type.1とType.2とを、上述の衝撃圧力測定器２１でノズルギャップが０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲における衝撃圧力の測定結果をグラフにしたものであり、縦軸は衝撃圧力[MPa]、横軸はノズルギャップ[mm]を示す。

この２個の超音速ノズル（SSN）Type.1とType.2のノズル形状の設計寸法は同一であるが製作時の形状精度に差があるため、図４のグラフからわかる様に、Type.1とType.2のノズルではノズルギャップに対する衝撃圧力の変動値に固体差があることが判る。

図５は、上述の超音速ノズル（SSN）のType.1とType.2を使用して、板厚１．０ｍｍステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）を実際に切断加工したときのノズルギャップと切断速度との関係を縦軸に切断速度[m/min]、横軸にノズルギャップ[mm]を採って示したものである。

図４のグラフから、Type.1のノズルの場合、ノズルギャップが１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲では衝撃圧力が急激に低下していることが判る。一方、第５図からは上述のノズルギャップが１．０ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲では切断加工が不能である。

一方、図４に示したようにType.2のノズルの場合、ノズルギャップを大きくしても衝撃圧力の大きさに殆ど変化がなく、ほぼ０．４[MPa]を維持していることが判る。また、第５図からはType.1のノズルの場合と異なり、ノズルギャップの測定範囲０．５ｍｍ〜１０ｍｍ（実験値は０．５ｍｍ〜９．０ｍｍ）の全領域において、約３５[m/min]の切断速度で安定して切断加工が可能であることが判る。

図６は、ノズル径が２．０[mm]で、レーザ加工機からのアシストガスの供給圧力を０．８[MPa]としたとき、標準ノズル（CCN）における衝撃圧力をノズルギャップが０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で測定した結果のグラフで、縦軸は衝撃圧力[MPa]、横軸はノズルギャップ[mm]である。

図７は、ノズル径が２．０[mm]で、レーザ加工機からのアシストガスの供給圧力を０．８[MPa]としたとき、標準ノズル（CCN）におけるノズルギャップと切断速度との関係をプロットしたグラフであり、縦軸が切断速度[m/min]、横軸はノズルギャップ[mm]で、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲を示してある。

図６のグラフからは、標準ノズル（CCN）の衝撃圧力の分布は、超音速ノズル（SSN）とは異なりノズルギャップが増加するに連れてなだらかに減少していることが判る。つまり、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍほどの限定的な狭いノズルギャップ範囲でしか安定した切断加工が望めないことが判る。

また、図７のノズルギャップと切断速度との関係をプロットしたグラフからも、衝撃圧力測定によって得られた衝撃圧力が一定値（実測値では約０．４[MPa]）以下に下がると切断加工ができなくなっていることが判る。

上述のことから、超音速ノズル（SSN）の方が良好な切断加工ができるノズルギャップの範囲が広く有利であることが理解できる。しかしながら、超音速ノズル（SSN）においても、加工精度の個体差が切断性能を大きく左右することも理解できる。

以下に、図８を参照しながら、前述の衝撃圧力と焦点裕度の関係に関して説明する。始めに、焦点裕度（Δｆ）なる用語の意味について説明する。焦点裕度（Δｆ）なる用語は本願発明者の造語であって、一般的には焦点深度と呼ばれるものに類似するものである。

通常、焦点深度はレンズなどの光学部品のみに起因する物理的特性であるが、ここで定義する焦点裕度とは、レーザ切断されるワークにも起因するものであって、図８に示すように、集光レンズ４１でレーザ光ＬＢを集光した場合、最小スポット径がｄ_０の焦点位置（Ｆｐ＝０）の近傍位置において、焦点がほぼ合っていると見なされるレンズ側の光軸領域の上限を「Ｆｐ＝＋１」、焦点下方の下限を「Ｆｐ＝−１」とするとき、通常はこの上・下限の領域の大きいことを焦点深度が大と称するが、切断加工されるワークによってはこの上限位置「Ｆｐ＝＋１」または下限位置「Ｆｐ＝−１」で有効な切断加工ができない場合がある。

上述のように、上限位置「Ｆｐ＝＋１」または下限位置「Ｆｐ＝−１」で有効な切断加工ができない場合、焦点深度は大でも焦点裕度（Δｆ）は小であるとする。勿論、この逆の場合もある。

一方、上限位置「Ｆｐ＝＋１」または下限位置「Ｆｐ＝−１」で有効な切断加工ができる場合、焦点裕度（Δｆ）は、Δｆ＝２となる。つまり、焦点裕度（Δｆ）とは、切断加工可能な余裕度を示し、焦点裕度（Δｆ）が大きいほど切断加工性能が安定していることを示すものである。

図９、図１０は、前記超音速ノズル（SSN）Type.1、Type.2とは別に製作したノズル径が２．０[mm]で０．８[MPa]仕様の超音速ノズル（SSN）で、ノズルギャップに対する衝撃圧力分布と、ノズルギャップに対する焦点裕度に関する測定データとを示したものである。

図９、図１０に示すように、衝撃圧力が下限点付近（約0.3MPa）でノズルギャップが（0.5〜3.0mm）の範囲においては、焦点裕度（Δｆ）も殆ど無く、衝撃圧力と焦点裕度とは関連していることが判る。

以上の説明から、レーザ加工の切断速度と焦点裕度は衝撃圧力に大きく関係し、この衝撃圧力を測定し、この衝撃圧力の分布データを数値制御装置に取り込むことにより、個々のレーザ加工ノズルの性能を定量的に評価判断することができる。また、これにより、衝撃圧力の変動が大きく切断許容圧力値よりも小さいノズルギャップに対しては、そのノズルギャップ領域を切断不良領域として回避し、切断不良を起こさない加工を行うことができる。

本発明に係る本発明に係るレーザ切断加工機の要部の説明図。本発明に係る衝撃圧力測定器の計測回路の概要の説明図。本発明に係る超音速ノズルの説明図であり、図３（ａ）は適正膨張状態でのガスが流れを示し、図３（ｂ）は不足膨張状態でアシストガスが流れを示す図。ノズル径が2.0[mm]で0.8[MPa]仕様の超音速ノズル（SSN）Type.1とType.2の衝撃圧力[MPa]とノズルギャップ[mm]との関係の実測値を示したグラフ。超音速ノズル（SSN）のType.1とType.2を使用して、板厚1.0ｍｍステンレス鋼板（SUS304）を実際に切断加工したときのノズルギャップと切断速度との関係の実測値を示したグラフ。ノズル径が2.0[mm]で、レーザ加工機からのアシストガスの供給圧力を０．８[MPa]としたとき、標準ノズル（CCN）における衝撃圧力[MPa]とノズルギャップ[mm]との関係の実測値を示したグラフ。ノズル径が2.0[mm]で、レーザ加工機からのアシストガスの供給圧力を０．８[MPa]としたとき、標準ノズル（CCN）におけるノズルギャップと切断速度との関係の実測値を示したグラフ。焦点裕度の関係に関する説明図。別の超音速ノズル（SSN）ノズル径が2.0[mm]で0.8[MPa]仕様の超音速における衝撃圧力[MPa]とノズルギャップ[mm]との関係の実測値を示したグラフ。 Type.1、Type.2とは別のノズル径が2.0[mm]で0.8[MPa]仕様の超音速ノズル（SSN）で、ノズルギャップに対する焦点裕度に関する測定データのグラフ。

符号の説明

１レーザ切断加工機
３ワークテーブル
５Ｘ軸キャリッジ
７数値制御装置
９レーザ加工ヘッド
１１レーザ加工用ノズル
２１衝撃圧力測定器
２３流入口
２５測定面板
２７圧力センサー
２９信号線
３１アンプ
３３データロガー
３５電源

Claims

レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器を設け、前記アシストガス流入口と前記ノズルとの間の距離であるノズル間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することを特徴とするレーザ加工用ノズルの切断性能評価方法。
レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器を設け、前記レーザ加工用ノズルを前記衝撃圧力測定器のアシストガス流入口と同軸に設けると共に、前記アシストガス流入口に対する間隙を連続的または段階的に位置決め自在に設け、前記レーザ加工用ノズルの間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定することを特徴とするレーザ加工用ノズルの切断性能評価装置。
レーザ加工用ノズルから噴射されるアシストガスが流入可能な切断溝幅とほぼ同等な直径を有するアシストガス流入口を備えた衝撃圧力測定器をレーザ切断加工機のワークテーブルに設け、前記レーザ加工用ノズルを前記衝撃圧力測定器のアシストガス流入口の軸心に移動位置決め可能に設け、該レーザ加工用ノズルの前記アシストガス流入口に対する間隙を連続的または段階的に変化させながら、前記ノズル間隙の変化に対応する前記アシストガスの衝撃圧力を測定して、前記衝撃圧力が切断許容衝撃圧力以上のほぼ一定の衝撃圧力を備えたレーザ加工用ノズルであるか否かを判定可能にしたことを特徴とするレーザ切断加工機。