JP2011125906A - レーザ加工用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの加工位置を空気混合水により効率よく冷却すると共に、ノズルの先端部分での水滴の付着を防止して、正確なギャップ制御を実現する。
【解決手段】ノズルチップ２の中心線上の照射孔３からレーザビームＬをアシストガスＧとともに照射し、レーザビームＬによりワークＷを加工するレーザ加工用ノズル１において、ノズルチップ２の外側に、ノズルチップ２の外周を囲むようにガードリング４を組み付け、ノズルチップ２とガードリング４との間に環状のシールドエア形成用の隙間１６を形成するとともに、ガードリング４の外側にウオータフォグノズル５を取り付け、隙間１６に通じる通路にシールドエア形成用の圧力空気Ｃを供給し、またウオータフォグノズル５の複数のノズル孔１９に通じる混合水の通路に空気混合水Ｆを供給する。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ加工機において、ワークに対してレーザを照射するためのノズルに関する。

レーザ加工は、ワークに対する一種の熱加工である。このため、レーザ加工時に、ワークの加工位置、その周辺部分の材料の温度が上昇する。加工中に、加工材料の温度が上昇すると、小さい孔加工や、小さなピッチの連続加工のときに、加工材料の上昇した温度の影響を受けるため、安定な加工ができず、それらの加工精度は低下し、加工の歩留りも悪化する。

特許文献１や特許文献２は、冷却用の防錆剤とエアーとを混合し、その混合気体をノズルからワークに噴射し、加工位置を冷却する、ことを開示している。

一方、レーザ加工機用のノズルは、特許文献２に記載されているように、ギャップ制御、すなわちノズルとワークとの間の間隔（ギャップ）を所定値に維持するために、多くは静電容量型の倣いセンサを有している。静電容量型の倣いセンサは、ノズルとワークとの間の静電容量を検出し、それらのギャップを所定値に維持し、加工を安定化させる。

ところが、レーザ加工時に、混合気体がノズルからワークに噴射されると、その水滴や加工中の溶融物などがノズルに付着し、それらの間の静電容量が変化するため、正確なギャップ制御ができなくなる。

特開平１０−３０５３８７公報 特開平１０−３２８８７９公報

したがって、本発明の課題は、ワークの加工位置を空気混合水により効率よく冷却するとともに、ノズルの先端部分での水滴の付着を防止して、正確なギャップ制御を実現することである。

上記課題のもとに、本発明は、ノズルチップの中心線上の照射孔からレーザビームをアシストガスと共に照射し、レーザビームによりワークを加工するレーザ加工用ノズルにおいて、ノズルチップの外側に、ノズルチップの外周を囲むようにガードリングを組み付け、ノズルチップとガードリングとの間に環状のシールドエア形成用の隙間を形成するとともに、ガードリングの外側にウオータフォグノズルを取り付け、シールドエア形成用の隙間に通じる空気通路にシールドエア形成用の圧力空気を供給し、またウオータフォグノズルの複数のノズル孔に通じる混合水通路に空気混合水を供給している（請求項１）。

また、本発明は、ノズルチップとガードリングとの間の電気的な短絡防止のために、ノズルチップの外側面に非導電体を形成する（請求項２）か、またはガードリングの内側面に非導電体を形成している（請求項３）。

上記の非導電体は、非導電材料の成形体および非導電材料の塗布層のいずれかにより形成される（請求項４）。

さらに、本発明は、ノズルチップの先端部をガードリングの先端位置よりもレーザビームの照射方向に突出させ、ノズルチップの突出面の中心位置に照射孔の開口部を形成している（請求項５）。

本発明のレーザ加工用ノズルによると、レーザビームによりワークを加工している時に、ウオータフォグノズルの複数のノズル孔から空気混合水がワークに吹きつけられて冷却されるため、ワークの材料の温度上昇が抑えられ、熱容量の大きな厚い板であっても、安定した加工ができ、小さい孔加工や、小さなピッチの連続加工の精度がよくなり、歩留りも向上するほか、ノズルチップの外周がガードリングにより囲まれているため、ノズルチップの表面への空気混合水の付着が防止でき、しかも、照射孔からワークに照射されるレーザビームの周囲に、ノズルチップとガードリングとの間の環状の隙間からシールドエアが筒状として噴射されるため、空気混合水の水滴や溶融物がノズルチップとガードリングとの間に浸入できなくなり、それらの間が短絡しないため、正確なギャップ制御が安定に行え、精度のよい加工が維持できる（請求項１）。

ノズルチップの外側面、またはガードリングの内側面に非導電体が形成されていると、ノズルチップとガードリングとの間の隙間に水滴や溶融物などの異物が入ったとしても、ノズルチップとガードリングとの間が電気的に短絡されず、ワークとレーザ加工用ノズルとの間の静電容量の変化による誤動作が防止しでき、安定なギャップ制御が継続的に維持できる（請求項２および請求項３）。

非導電体は、非導電材料の成形体または非導電材料の塗布層のいずれによっても形成できるから、ノズルチップまたはガードリングの形状や構造に応じて適切な非導電層が形成できる（請求項４）。

ノズルチップの先端部がガードリングの先端位置よりもレーザビームの照射方向に突出していると、シールドエアがノズルチップの先端部外周面に沿って整流され、レーザビームと干渉しないため、安定な加工が保持できる（請求項５）。

本発明のレーザ加工用ノズルの正面図である。 本発明のレーザ加工用ノズルの背面図である。 本発明のレーザ加工用ノズルの底面図である。 図３のＡ−Ａ矢印方向で切断し、ノズルの先端位置を下方とした断面図である。 図３のＢ−Ｂ矢印方向で切断し、ノズルの先端位置を下方とした断面図である。

図１ないし図５は、本発明のレーザ加工用ノズル１を示している。これらの図において、レーザ加工用ノズル１は、加工対象のワークＷを加工するために、ほぼ円錐状のノズルチップ２の中心線上の照射孔３からレーザビームＬをアシストガスＧと共にワークＷに向けて照射するが、特徴的な部分としてノズルチップ２の周囲において、ガードリング４およびウオータフォグノズル５を多重構造として備えている。

ノズルチップ２は、中心線上で中間リング６にねじ３０により固定されており、中間リング６は、中心線上でノズル本体７の一方の端面の凹部内に配置されている。ノズルチップ２の先端部２ａは、漏斗状のガードリング４の先端位置よりもレーザビームＬの照射方向に突出し、突出面の中心位置で照射孔３の開口部３ａを形成している。

ノズル本体７は、他方の端面のフランジ部分で、図示しないボルトによって取り付けリング１３の環状段内に嵌め込まれている。なお、レーザ加工用ノズル１の最大の外径は、取り付けリング１３の外径となっている。

ノズル本体７の外側に第１リング１１および第２リング１２が重ねた状態で配置されており、これらは、図示しない複数の上向き取り付けボルトによって取り付けリング１３に固定されている。取り付けリング１３に対する第１リング１１および第２リング１２の固定によって、ノズル本体７は、取り付けリング１３と一体となる。

中間リング６は、ノズル本体７の凹部に嵌まった状態で、ノズル本体７と押さえキャップ１４との間のねじ３２によるねじ込みによって、スペーサリング１７と共に、ノズル本体７の下部に取り付けられている。

また、ノズルチップ２は、前記のように、ねじ３０によって中間リング６に固定されているから、ノズルチップ２の照射孔３は、中間リング６の中心孔、ノズル本体７の中心孔、取り付けリング１３の中心孔に通じており、これらの中心孔は、レーザビームＬの通過用孔を形成している。

また、ガードリング４は、内側の非導電体としてのインナーリング１５と共に、押さえキャップ１４に対しねじ３１によるねじ込みによって固定されている。このようにして、ノズルチップ２の外周面とインナーリング１５の内周面とは、それらの間に、シールドエア形成用の環状の隙間１６を形成している。

インナーリング１５は、例えばセラミックス製あるいは合成樹脂製の成形体による非導電体であるが、この非導電体は、ガードリング４の内周面に非導電材料の塗布層により形成することもできる。また、非導電体は、ガードリング４の内側面でなく、ノズルチップ２の外周面、または必要に応じてガードリング４の内側面およびノズルチップ２の外周面の両方に形成することもできる。

さらにウオータフォグノズル５は、空気混合水Ｆを冷却用フォグとして噴射するために、外周に等間隔で複数、例えば４個程度のノズル孔１９をレーザビームＬの照射方向に向けて有しており、ノズルチップ２よりも、レーザビームＬの照射方向に対して逆方向に後退する位置で第２リング１２に当てがわれ、スペーサリング１７により位置決めされた状態で、第２リング１２とノズル固定リング１８との間のねじ３３によるねじ込みによって第２リング１２に固定されている。

そして、第１エルボ２１は、ノズル孔１９に空気混合水Ｆを供給するために、第２エルボ２２は、環状の隙間１６に圧力空気Ｃを供給するために、第２リング１２の外周位置にそれぞれねじ込みにより連結されている。

第１エルボ２１から供給された空気混合水Ｆは、第２リング１２の溝とパッキン３４との間に形成されている環状の流路２３、第２リング１２およびウオータフォグノズル５、それらの間のパッキン３５に形成されている流路２４を経て、ウオータフォグノズル５の複数のノズル孔１９から霧状の冷却用フォグとして噴射できるようになっている。

なお、ノズル孔１９は、ワークＷとの接触防止のために、照射孔３の開口部３ａよりもレーザビームＬの照射方向に対して逆方向に後退する位置に設けられ、レーザビームＬの照射方向に対し平行な方向、またはやや外向き方向に向けられている。

また、第２エルボ２２から供給された圧力空気Ｃは、第２リング１２に嵌め込まれているパイプ２５の導入路２６、ノズル本体７に形成されている流路２７、ノズル本体７と押さえキャップ１４との間に形成されている環状の空間２８による流路、押さえキャップ１４に等間隔で形成されている複数のエアノズル２９を経て環状の隙間１６の内部に到達し、ノズルチップ２の先端部２ａの外周から環状のエアカーテンとして噴射できるようになっている。

エアノズル２９の吹き出し口の直径は、吹き出し口での圧力空気Ｃの流速（勢い）を向上させ、ノズルチップ２の先端部２ａの外周に、少ない流量で完全な環状のエアカーテンを形成するために、好ましくは０．５ｍｍ以下とし、エアノズル２９の設置数は、押さえキャップ１４の外周方向に等間隔として、例えば１０個以上形成する。隙間１６の吹き出し口、つまりノズルチップ２の先端部２ａの外周とガードリング４の中央孔の内周面との間の開口面も上記吹き出し口有効開口に見合う大きさとする。

なお、第１リング１１および第２リング１２の背面にプレート３６が取り付けられ、このプレート３６に、ギャップ制御用のコネクタ２０とコード保護用のＬ型ガード３７とが設けられている。ギャップ制御用のコネクタ２０に、レーザ加工用ノズル１とワークＷとの間の静電容量を検出するために、図示しないコードのプラグが接続できるようになっている。

加工時に、レーザ加工機からのレーザビームＬは、既述のように、アシストガスＧと共にノズル本体７およびノズルチップ２の中心に形成されている照射孔３を通過して、開口部３ａから加工対象のワークＷの加工位置に照射され、ワークＷの孔加工または溶断加工を行う。

加工過程で、レーザ加工用ノズル１とワークＷとは、静電容量型の倣いセンサーの電極として機能しており、レーザ加工用ノズル１とワークＷとの間隔は、コネクタ２０とワークＷに接続した図示しない電極との間の静電容量を検出し、ギャップ制御によって一定に保たれている。

加工中に、第１エルボ２１に供給される空気混合水Ｆは、前述の経路を経て、ウオータフォグノズル５のノズル孔１９から噴霧され、冷却用フォグとしてワークＷの加工位置の周囲に吹きつけられる。ワークＷの加工位置表面での冷却用フォグの蒸発によってレーザビームＬの外周位置でワークＷが冷却されるため、ワークＷの材料の温度上昇が抑えられ、ワークＷが仮に熱容量の大きな厚い板であったとしても、安定した加工が継続でき、しかも小さい孔加工や、小さなピッチの連続加工が精度よく加工でき、加工後の歩留りも向上する。

空気混合水Ｆの噴霧のときに、ノズル孔１９がレーザビームＬの照射方向に対して平行またはやや外向き方向に設定されているため、空気混合水Ｆ（冷却用フォグ）の水滴は、ノズルチップ２の先端部２ａ、ガードリング４の外周面、ノズルチップ２とガードリング４との間の隙間１６の内部に、直接的に浸入しなくなる。したがって、静電容量の値に変化はなく、ギャップ制御は安定に継続できる。

また、第２エルボ２２に供給される圧力空気Ｃは、複数のエアノズル２９から環状の隙間１６を経て、ノズルチップ２の照射孔３の外周の開口面からシールドエアとしてワークＷに向けて噴射される。このシールドエアによってレーザビームＬの外周に筒状のエアカーテンが形成されるため、空気混合水Ｆによる冷却用フォグまたはその水滴、さらに加工中に発生する溶融物などの異物は、レーザビームＬの照射位置に入り込まず、もちろん隙間１６の空間に入り込むこともない。

空気混合水Ｆや圧力空気Ｃの供給経路には、レギュレータ、バルブが配置されており、それらの圧力や流量は、実験によって最も適切な値に保たれている。

上記のように、隙間１６の空間に空気混合水Ｆによる冷却用フォグまたはその水滴、さらに溶融物が浸入しないため、ノズルチップ２とガードリング４との間の隙間１６は、電気的に短絡せず、このためギャップ制御は、継続的に正確に維持できる。

特に、ノズルチップ２の外側面、またはガードリング４の内側面にインナーリング１５などによって、非導電体が配置されていると、ノズルチップ２とガードリング４との間の隙間１６に水滴や溶融物などの異物が入ったとしても、それらの間が電気的に短絡されず、これによる誤動作が防止しでき、しかも安定なギャップ制御が継続的に維持できることになる。

またノズルチップ２の先端部２ａがガードリング４の先端位置よりもレーザビームＬの照射方向に突出していると、圧力空気Ａによるシールドエアがノズルチップ２の先端部２ａの外周面に沿って整流され、先端部２ａの中心位置のレーザビームＬと干渉しないため、安定な加工が保持できる。

さらに、ウオータフォグノズル５の複数のノズル孔１９が照射孔３の開口部３ａよりもレーザビームＬの照射方向に対して逆方向に後退する位置に形成されていると、レーザ加工用ノズル１の先端側の外径が大きくならず、ワークＷとの接触を防止したスマートなノズル形状に形成できる。

本発明は、空気混合水Ｆおよび圧力空気Ａを用いているが、空気混合水Ｆは、防錆剤やその他の溶剤を含んでいてもよく、また圧力空気Ｃは、必要な機能のガスを含有する空気でもよい。

１ レーザ加工用ノズル ２ ノズルチップ ２ａ 先端部
３ 照射孔 ３ａ開口部 ４ ガードリング
５ ウオータフォグノズル ６ 中間リング
７ ノズル本体
１１ 第１リング １２ 第２リング
１３ 取り付けリング １４ 押さえキャップ
１５ インナーリング １６ 隙間
１７ スペーサリング １８ ノズル固定リング
１９ ノズル孔 ２０ コネクタ
２１ 第１エルボ ２２ 第２エルボ
２３ 環状の流路 ２４ 流路
２５ パイプ ２６ 導入路
２７ 流路 ２８ 空間
２９ エアノズル ３０ ねじ
３１ ねじ ３２ ねじ
３３ ねじ ３４ パッキン
３５ パッキン ３６ プレート
３７ Ｌ型ガード
Ｃ 圧力空気
Ｆ 空気混合水
Ｇ アシストガス
Ｌ レーザビーム
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. ノズルチップの中心線上の照射孔からレーザビームをアシストガスと共に照射し、レーザビームによりワークを加工するレーザ加工用ノズルにおいて、ノズルチップの外側に、ノズルチップの外周を囲むようにガードリングを組み付け、ノズルチップとガードリングとの間に環状のシールドエア形成用の隙間を形成するとともに、ガードリングの外側にウオータフォグノズルを取り付け、シールドエア形成用の隙間に通じる空気の流路にシールドエア形成用の圧力空気を供給し、またウオータフォグノズルの複数のノズル孔に通じる混合水の流路に空気混合水を供給する、ことを特徴とするレーザ加工用ノズル。
2. ノズルチップの外側面に非導電体を形成する、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工用ノズル。
3. ガードリングの内側面に非導電体を形成する、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工用ノズル。
4. 非導電体を、非導電材料の成形体および非導電材料の塗布層のいずれかにより形成する、ことを特徴とする請求項２または請求項３記載のレーザ加工用ノズル。
5. ノズルチップの先端部をガードリングの先端位置よりもレーザビームの照射方向に突出させ、ノズルチップの突出面の中心位置に照射孔の開口部を形成する、ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４記載のレーザ加工用ノズル。

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