JP2018122349A - レーザ切断加工方法及びノズル並びにレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ切断加工時の切断溝内へのアシストガスの侵入を効率よく行って、ドロスの排出を効果的に行うことができるレーザ切断加工方法及びノズル並びにレーザ切断加工装置を提供する。【解決手段】金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、二重構造の内側ノズル５と外側ノズル７から同一のアシストガスを噴出し、外側ノズル７から円錐形状に噴出したアシストガスの絞り部分ＧＷを前記ワークＷの表面に合せてレーザ切断加工を行う。内側ノズル５から噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズル７から噴出した外側アシストガスによって均一に囲繞し、かつ前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断面における切断面端部にまで供給してレーザ切断加工を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば炭素鋼などのごとき金属製のワークのレーザ切断加工方法及び同加工方法に使用するノズル並びにレーザ加工装置に関する。さらに詳細には、レーザ切断加工時の切断溝内へのアシストガスの侵入（入り込み）を効率よく行って、切断溝内からのドロスの排出を効果的に行うことができるレーザ切断加工方法及びノズル並びレーザ加工装置に関する。

従来、金属製のワークのレーザ切断加工を行う場合、レーザ切断加工位置へアシストガスを噴射して、レーザ切断加工時に生じたドロスを切断溝内から排出することが行われている。ところで、ワークが例えば軟鋼等の厚板の場合には、アシストガスとして酸素ガスが使用されている。この場合、鉄の酸化反応熱を利用してワークの切断加工を行うものであり、厚いワークのレーザ切断加工を能率よく行うことができる。

ところで、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに備えたノズルのノズル口の径が大きい場合には、レーザ切断加工によって形成された切断溝内へ多量のアシストガスを侵入させることができる。そして、この侵入したアシストガスによって、切断溝内に生じたドロスを能率よく排出することができる。

しかし、ノズル口において、前記切断溝の幅方向の外側に対応した部分から噴出されたアシストガスは、切断溝内に侵入することなく、ワーク表面に沿って広がることになる。また、切断溝内の加工点直下領域（加工領域）だけでなく、切断溝内の加工点から後方（既に切断を完了して予熱を帯びている）領域にもアスシストガス広がってしまうことになる。したがって、切断溝の縁および切断溝内の後方領域において酸化反応を生じて、バーニングを生じ易いものである。

前記ノズル口が小径の場合には、ワークの表面に沿って広がるアシストガス量が少なく、バーニング発生を抑制することができる。しかし、切断溝内へ侵入するアシストガス量が少なくなり、ドロスの排出が難しくなる。したがって、ワークの裏面にドロスが付着し易くなるものである。

ところで、アシストガスとしては、窒素ガスを使用する場合もある。この場合、バーニングの発生は抑制できるものの、ノズル口が大きいと、アシストガスの消費量が大きくなる。そして、ノズル口が小さい場合には、切断溝からのドロスの排出が難しくなる。

そこで、本発明は、ノズルの構成を、内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造として、前述したごとき問題を解決しようとするものである。なお、本発明構成に類似の先行例として、特許文献１がある。

特開昭６３−１７１２９０号公報

前記特許文献１に記載のノズルの構成は、円錐形状の内側のノズルの外周を囲繞した円錐状のスリーブを備えることによって二重に構成してある。しかし、前記内側のノズルの外周面とスリーブの内周面は密着してある。そして、前記内側のノズルの外周面又はスリーブの内周面に複数の縦溝を備えた構成である。そして、内側のノズルと前記縦溝は、内側のノズルに形成した通路によって連通してある。したがって、内側のノズルと前記縦溝からは同一のアシストガスが噴出されることになる。

ところで、前述のごとき特許文献１に記載の構成においては、複数の縦溝の部分からアシストガスを噴出する構成であるから、流路抵抗が大きくなる。また、複数の縦溝の間はアシストガスを噴出することなく負圧になるので、内側のノズルから噴出されたアシストガスは、前記縦溝における端部の間の部分から放射外方向に広がる傾向にある。したがって、ノズルから噴出されたアシストガスを、切断溝内に効果的に侵入させることは難しいものである。よって、アシストガスとして酸素ガスを使用した場合、ドロス発生あるいはバーニングを抑制することは難しいものである。

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、外側ノズルから円錐形状に噴出したアシストガスの絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、内側ノズルから噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズルから噴出した外側アシストガスによって囲繞し、かつ前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断面における切断面端部にまで供給してレーザ切断加工を行うものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、前記アシストガスは酸素ガスである。

また、レーザ加工装置におけるノズルであって、先端側が次第に小径になるテーパ孔を備えた内側ノズルの外側に外側ノズルを備え、内側ノズルを囲繞して備えた前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間のテーパ孔の間隙は、全周に亘って連続した間隙に形成してある。

また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズルのテーパ孔と、内側ノズルと外側ノズルとの間のテーパ状の間隙は、同一アシストガスの通路を形成している。

また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズルの先端部に、ストレートの小径孔部を備えている。

また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズルの先端面は、前記外側ノズルの先端面と同一平面又は内側に位置している。

また、前記ノズルにおいて、前記外側ノズルの外側に、レーザ加工位置付近の冷却を行う水ノズルを備えている。

また、前記外側ノズルの先端部に、放射外方向へ張り出したフランジ部を備えている。

また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズル及び外側ノズルから噴出されるアシストガスは酸素ガスである。

また、ワークに対して接近離反する方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドを備え、このレーザ加工ヘッドにノズルを着脱交換可能に備えたレーザ加工装置であって、前記ノズルは内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造のノズルであって、前記外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスが絞り部分を形成する構成であり、前記ワークに対する前記レーザ加工ヘッドの接近動作を制御する制御装置は、着脱交換される各ノズルにおける先端部から前記絞り部分までの距離データを格納した距離データテーブルを備えている。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドに備えたノズルから噴出されるアシストガスに絞り部分を形成し、この絞り部分をワーク表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。したがって、レーザ切断による切断溝内および切断溝内の加工領域へアシストガスを効果的に侵入させることができる。よって、切断溝内のドロスの排出を効果的に行い、バーニングを抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るノズルの構成を示す断面説明図及びＢ−Ｂ，Ｃ−Ｃ線に沿った断面説明図である。 レーザ切断加工状態を示す断面説明図である。 第２の実施形態に係るノズルの断面説明図である。 制御装置の構成を概念的に示した機能ブロック図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について説明するに、レーザ加工装置の全体的構成は一般的なレーザ加工装置と同様であって、良く知られた構成であるから、レーザ加工装置においての主要な構成のみについて説明する。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置（全体的構成は図示省略）は、例えばパイプ材等のごとき長尺材や板材などのごとき適宜のワークＷに対して接近離反する方向へ移動位置決め自在なレーザ加工ヘッド１を備えている。このレーザ加工ヘッド１には、ノズル３が着脱交換自在に備えられている。

上記ノズル３は、内側ノズル５と外側ノズル７とを一体的に備えた二重構造に構成してある。より詳細には、前記内側ノズル５は、先端側が次第に小径になるテーパ孔９を内側に備えた構成である。そして、内側ノズル５において大径の基端部１１は、前記外側ノズル７における基端部側の大径穴１３に嵌合してある。上記内側ノズル５の前記基端部１１における外周面の複数箇所にはＤカットを行った平面部１５が形成してある。すなわち、Ｄカットを行うことにより、外側ノズル７の内周面と内側ノズル５の外周面との間に、アシストガスが通過自在な通路１７が形成してある。

前記内側ノズル５の先端側の外周面１９は、先端側が次第に小径になるテーパ面に形成してある。そして、内側ノズル５における前記先端側は、外側ノズル７におけるテーパ孔２１内に配置してある。外側ノズル７の上記テーパ孔２１は、前記大径孔１３に連通してあり、かつ前記内側ノズル５における前記先端側を囲繞した構成である。そして、前記内側ノズル５における前記外周面１９とテーパ孔２１の内周面は適宜間隔を保持して離隔してある。

換言すれば、前記内側ノズル５の外周面１９と前記外側ノズル７のテーパ孔２１の内周面との間には、先端側が小径になるテーパ状の環状通路２３が形成してある。すなわち、上記環状通路２３は周方向に連続した円形状に形成してある。したがって、前記環状通路２３から噴出されるアシストガスの断面形状は周方向に連続したリング状を呈するものである。そして、リング状の径が次第に小径になることにより、アシストガスはノズル３の軸心上に収束される構成である。

したがって、ノズル３においては、内側ノズル５の先端部に形成したストレートの小径孔部２５から、ワークＷへ照射するレーザ光ＬＢと同心の円柱状（丸棒状）にアシストガスを噴出する。そして、上記内側ノズル５からの円柱状のアシストガスを、前記環状通路２３から円錐状に噴出されるアシストガスによって絞る作用をなすものである。よって、ノズル３から噴出されるアシストガスには、絞り部分（ウエスト部）ＧＷ（図２参照）が形成されるものである。

前記構成において、レーザ加工ヘッド１に備えた中央孔１Ｈからノズル３へアシストガスを供給すると、アシストガスは、内側ノズル５の前記小径孔部２５及び内側ノズル５と外側ノズル７との間の環状通路２３からワークＷへ向けて噴出されることになる。したがって、ノズル３から噴出されるアシストガスＧに形成されるウエスト部（絞り部分）ＧＷをワークＷの表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。

上述のように、アシストガスＧのウエスト部分ＧＷをワークＷの表面に合せると、レーザ切断加工されたワークＷの切断溝ＷＧ内へアシストガスＧを効果的に侵入させることができる。換言すれば、ワークＷの表面ＷＳに沿って周囲に広がるアシストガスＧの流量が少なくなるものである。したがって、レーザ切断加工時に生じた溶融金属（ドロス）を切断溝ＷＧ内から効果的に排出することができるものである。また、ワークＷの表面ＷＳに沿って広がるアシストガスＧの流量が少なくなるということは、アシストガスＧとして酸素ガスを使用する場合に、レーザ切断加工位置付近のワーク表面ＷＳの酸化反応が抑制されることとなる。よって、バーニングの発生が抑制されるものである。

ところで、ノズル３における内側ノズル５の先端面５Ｅ（図２参照）は、外側ノズル７の先端面７Ｅと同一平面の位置又は外側ノズル７の前記先端面７Ｅから、僅かに、例えば０．５ｍｍ程度内側の位置において平面に形成してある。したがって、内側ノズル５から噴出されるアシストガスと環状通路２３から噴出されるアシストガスとの間において、内側ノズル５の前記先端面５Ｅに対応した先端面対応位置２７の部分に負圧を生じることになる。よって、前記環状通路２３から噴出されたアシストガスは、内側へ引き寄せられる傾向にあり、前記ウエスト部分ＧＷをより効果的に形成されるものである。

また、前記環状通路２３は、図１（Ｃ）より明らかなように、全周に亘って円形状を形成する断面形状である。したがって、ワークＷへ噴出される断面円形状のアシストガスＧの周面部分はガス圧が均一なリング状の円周面を呈するものである。換言すれば、ワークＷへ噴出されるアシストガスの周面部分に、部分的にガス圧の高低差がないものである。よって、ワークＷのレーザ切断加工方向に拘わりなく常に良好なレーザ切断加工面を保持してレーザ切断加工を行い得るものである。

また、内側ノズル５からレーザ光ＬＢと同心に噴出されるアシストガスＧは、ワークＷにレーザ光ＬＢが照射されている部分に噴出されるものである。したがって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合には、ワークＷの燃焼に効果的に使用することができる。そして、ワークＷの酸化燃焼反応熱を利用したワークＷのレーザ切断加工においては、内側ノズル５から噴出された酸素がワークの表面付近において消費されると、ワークＷの表面ＷＳから深い部分（裏面付近）においての酸化反応が低下する傾向にある。

ところが、本実施形態においては、環状通路２３から噴出された環状の酸素ガスは、内側ノズル５から噴出されたアシストガスを囲繞した状態にあり、ワークＷに対するレーザ光ＬＢの照射位置から僅かに離れた位置にある。したがって、環状通路２３から噴出された酸素が、レーザ光が照射されている部分の初期の酸化反応に使用される量が少なく、ワークＷの切断溝ＷＧ内に深く入り込むことになる。すなわち、レーザ切断加工による切断面における切断端部付近において、レーザ切断加工の進行が遅れる部分の酸化反応に使用されることになる。したがって、厚いワークＷのレーザ切断加工を効果的に行い得るものである。換言すれば、ワークＷが厚い場合であっても、ワークＷの表面から裏面（切断端面）に亘って酸化燃焼反応熱を均等的に利用してのレーザ切断加工を行い得るものである。よって、ワークＷの切断面の全体に亘って同一条件のレーザ切断加工となり、切断面の全面に亘って良好な切断面を得ることができるものである。

すなわち、本実施形態によれば、アシストガスＧを切断溝ＷＧ内へ効果的に侵入させることができ、なおかつアシストガスＧを直進的に切断溝ＷＧ内の加工領域へ供給することができる。したがって、切断溝内の加工領域へのアシストガスの供給が効果的であるのみならず、切断溝内の加工点から後方の領域にアスシストガスが広がることを効果的に抑制することができる。よって、ワークＷが厚い場合であっても、ワークＷの表面から裏面（切断端面）に亘って、アシストガスとしての酸素を効果的に供給しての酸化燃焼反応熱を均等的に利用してのレーザ切断加工が行い得る。併せて、アシストガスとしての酸素が切断構内の後方に至ってのバーニングの発生を抑制することができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るノズル３Ａの構成を示すものである。この実施形態において、前述したノズル３の構成要素と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして、重複した説明は省略する。

この第２の実施形態においては、前記外側ノズル７において、前記環状通路２３よりも外側の位置に、冷却水を通す複数の冷却水孔２９を、下側が小径になる円錐面上に等間隔に備えた構成である。そして、前記各冷却水孔２９から噴出された冷却水がレーザ加工位置へ直接噴射されることを抑制するために、前記外側ノズル７の先端部に、放射外方向へ張り出したフランジ部３１を備えた構成である。

したがって、ノズル３Ａを使用してワークＷのレーザ切断加工を行う際には、各冷却水孔２９から冷却水を噴出することにより、ワークＷのレーザ切断加工位置の周辺を冷却することができる。よって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合、ワークＷの表面ＷＳに沿って周囲に薄く広がる酸素ガスによる酸化反応を抑制することができる。

ところで、前記構成のごときノズル３を使用して、レーザ加工装置（図示省略）によってワークＷのレーザ切断加工を行う場合、ワークＷの板厚等によって、小径孔部２５、環状通路２３の先端部の径が異なる各種のノズルをレーザ加工ヘッド１に対して着脱交換して使用されるものである。

したがって、各ノズル３，３Ａには、ノズル３，３Ａの先端部とワークＷの表面ＷＳとの間のギャップを検出するギャップセンサ（図示省略）が備えられている。そして、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド１を接近離反する方向への動作を制御する制御装置３３（図４参照）は、着脱交換される各ノズル３，３Ａにおける先端部から前記ウエスト部ＧＷまでの距離データを実験的に予め求めて格納した距離データテーブル３５を備えている。さらに、前記制御装置３３には、前記距離データテーブル３５に格納されたデータに基づいて、ノズル３，３Ａの先端部とワークＷの表面ＷＳとの間のギャップを制御するＺ軸制御手段３７が備えられている。

したがって、レーザ加工ヘッド１に対して適宜のノズル３を装着してワークＷのレーザ切断を行う場合、入力手段３９から、該当するノズル３の番号等を制御装置３３に入力する。制御装置３３においては、ノズル３の番号等が入力されると、距離データテーブル３５から該当するノズル３のギャップが選択される。そして、この装着したノズル３の先端部とワークＷの表面ＷＳとの間のギャップは、距離データテーブル３５に予め格納した距離データに基づいて制御されるものである。すなわち、前記ギャップは、ノズル３から噴出されるアシストガスにおけるウエスト部ＧＷがワークＷの表面に位置するように保持されるものである。よって、前述したように、ワークＷのレーザ切断加工を良好に行い得るものである。

１ レーザ加工ヘッド
３ ノズル
５ 内側ノズル
５Ｅ 先端部
７ 外側ノズル
７Ｅ 先端面
９ テーパ孔
１７ 通路
２３ 環状通路
２５ 小径孔部
２７ 先端面対応位置
２９ 冷却孔
３１ フランジ部
ＧＷ ウエスト部分（絞り部分）

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、内側ノズルの先端面を平面に形成し、かつ内側ノズルの先端面を、外側ノズルの先端面と同一平面又は内側の位置に備えた二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、外側ノズルから円錐形状に噴出したアシストガスの絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。

また、レーザ加工装置におけるノズルであって、先端側が次第に小径になるテーパ孔を備えた内側ノズルの外側に外側ノズルを備え、内側ノズルを囲繞して備えた前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間のテーパ孔の間隙は、全周に亘って連続した間隙に形成してあり、かつ内側ノズルの先端面は平面に形成してあって、外側ノズルの先端面と同一平面に、又は内側に位置している。

また、ワークに対して接近離反する方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドを備え、このレーザ加工ヘッドにノズルを着脱交換可能に備えたレーザ加工装置であって、内側ノズルの先端面を平面に形成し、かつ内側ノズルの先端面を、外側ノズルの先端面と同一平面又は内側の位置に備えた二重構造のノズルであって、前記外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスが絞り部分を形成する構成であり、前記ワークに対する前記レーザ加工ヘッドの接近動作を制御する制御装置は、着脱交換される各ノズルにおける先端部から前記絞り部分までの距離データを格納した距離データテーブルを備えている。

Claims (11)

1. 金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、外側ノズルから円錐形状に噴出したアシストガスの絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
2. 請求項１に記載のレーザ切断加工方法において、内側ノズルから噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズルから噴出した外側アシストガスによって囲繞し、かつ前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断面における切断面端部にまで供給してレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ切断加工方法において、前記アシストガスは酸素ガスであることを特徴とするレーザ切断加工方法。
4. レーザ加工装置におけるノズルであって、先端側が次第に小径になるテーパ孔を備えた内側ノズルの外側に外側ノズルを備え、内側ノズルを囲繞して備えた前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間のテーパ孔の間隙は、全周に亘って連続した間隙に形成してあることを特徴とするノズル。
5. 請求項４に記載のノズルにおいて、前記内側ノズルのテーパ孔と、内側ノズルと外側ノズルとの間のテーパ状の間隙は、同一アシストガスの通路を形成していることを特徴とするノズル。
6. 請求項４又は５に記載のノズルにおいて、前記内側ノズルの先端部に、ストレートの小径孔部を備えていることを特徴とするノズル。
7. 請求項４，５又は６に記載のノズルにおいて、前記内側ノズルの先端面は、前記外側ノズルの先端面と同一平面又は内側に位置していることを特徴とするノズル。
8. 請求項４〜７のいずれかに記載のノズルにおいて、前記外側ノズルの外側に、レーザ加工位置付近の冷却を行う水ノズルを備えていることを特徴とするノズル。
9. 請求項８に記載のノズルにおいて、前記外側ノズルの先端部に、放射外方向へ張り出したフランジ部を備えていることを特徴とするノズル。
10. 請求項４〜９のいずれかに記載のノズルにおいて、前記内側ノズル及び外側ノズルから噴出されるアシストガスは酸素ガスであることを特徴とするノズル。
11. ワークに対して接近離反する方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドを備え、このレーザ加工ヘッドにノズルを着脱交換可能に備えたレーザ加工装置であって、前記ノズルは内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造のノズルであって、前記外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスが絞り部分を形成する構成であり、前記ワークに対する前記レーザ加工ヘッドの接近動作を制御する制御装置は、着脱交換される各ノズルにおける先端部から前記絞り部分までの距離データを格納した距離データテーブルを備えていることを特徴とするレーザ加工装置。

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