JP2018511480A - 摺動可能な弁スリーブを備えたガスノズル - Google Patents

Abstract

レーザー加工ヘッド（２）用の切断ガスノズル（１）であって、レーザービーム（３）をワークピース（４）へと貫流させる出口開口（１００）と、該出口開口（１００）を取り囲むリングギャップ（１１）と、該リングギャップ（１１）内に配置されたスリーブ（１０）とを有していて、該スリーブ（１０）は、前記リングギャップ（１１）内で、後方位置と前方位置との間で軸方向摺動可能にガイドされていて、少なくとも前記前方位置で前記出口開口（１００）を越えて突出する、切断ガスノズルにおいて、本発明によれば、前記スリーブ（１０）は、前記リングギャップ（１１）内で傾動可能に支持されている。

Description

本発明は、レーザー加工ヘッド用のガスノズルであって、レーザービームをワークピースへと貫流させる出口開口と、該出口開口を取り囲むリングギャップと、該リングギャップ内に配置されたスリーブと、を有していて、該スリーブは、前記リングギャップ内で、後方位置と前方位置との間で軸方向摺動可能にガイドされていて、少なくとも前記前方位置で前記出口開口を越えて突出する、レーザー加工ヘッド用のガスノズルに関する。

このような形式のガスノズルは例えば、国際公開第２０１４／０７２６０９号（WO 2014/072609 A1）により公知である。

レーザービームによる様々な材料厚さの様々な材料（構造用鋼、特殊鋼、アルミニウム・・・）の加工（例えば、切断または溶接）のためには、異なる外輪郭または内輪郭、異なるように成形されたノズル開口、および異なるノズル直径を有した様々なガスノズルが必要である。

国際公開第２０１４／０７２６０９号（WO 2014/072609 A1）により、内部ノズルを備えたガスノズルが公知であり、この内部ノズルを通ってレーザービームと切断ガスとがワークピースへと向けられる。内部ノズルを取り囲むリングギャップでは、スリーブが軸方向摺動可能にガイドされていて、ばねによって後方の終端位置へと予荷重をかけられている。スリーブの背面側端面は、リングギャップ内でリング室を画定している。このリング室は接続開口を介して、内部ノズルのノズル孔に接続されている。切断ガス圧力が高くなるほど、いっそう、ノズルはばねの戻し力に抗して、前方へと送られる。スリーブは、ノズルボディ内で、外側ではキャップに、内側では管エレメントに軸方向摺動可能にガイドされていて、スリーブの前端面に外側の当接傾斜部を有しており、これにより、例えば切り落とされたワークピース部分の傾動により生じる場合がある、ワークピース表面における僅かな段部を越えて、損傷なく向こうに滑動することができる。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガスノズルを改良して、スリーブの端面を、平坦ではないワークピース表面を備えたワークピース部分に対しても、またはワークピースが傾いている場合でも、できるだけ常に全範囲的にワークピース表面に接触させるようにして、これにより、レーザー加工の際の加工ガスまたは保護ガスの作用を改善し、かつガス消費量を確実なプロセスのもとで減じるようにすることである。

この課題は、本発明によれば、スリーブがリングギャップ内で傾動可能に支持されていることにより解決される。

本発明によれば、このスリーブがリングギャップの内側で、例えば±５°だけ傾動可能に支持されるような側方の遊びを備えて、このスリーブはリングギャップ内で（浮動式に）支持されている。このようにしてガスノズルは、ワークピース表面の非平坦性に対して傾動により対応することができ、これによりガスノズルが機械的に損傷されたり、ワークピース表面に対する形状接続的な接触が失われたりすることはない。好適には、スリーブは、該スリーブの外側で全周にわたって延在する、鋭角的なまたは丸み付けられたセンタリングフランジを有していてよく、該センタリングフランジは、リングギャップの外壁に摺動可能にガイドされていて、かつ傾動可能に支持されている。選択的または付加的に、リングギャップの外壁が前進方向で、かつ／またはスリーブの外面が後退方向で、特に円錐状に先細りしていてよく、これによりリングギャップの内側でスリーブの傾動が可能である。

非平坦なワークピース表面上でのスリーブの滑動をさらに改善するために、弁スリーブの前端面は、内側かつ／または外側で、例えば４５°の面取り部の形で、当接傾斜部を有していてよい。

好適には、出口開口は、コア流をワークピースに向ける内部ノズルのノズル出口開口によって形成されている、かつ／またはリングギャップは、リング状のガス流をワークピースに向けるリングギャップノズルに形成されている。リングギャップがリングギャップノズルに形成されている場合、スリーブは、リングギャップノズルのノズル横断面を両位置で異なる広がりで開放し、好適にはスリーブは、一方の位置ではリングギャップノズルを少なくともほぼ、特に完全に閉鎖し、他方の位置ではリングギャップノズルを開放する。

本発明の好適な実施形態では、内部ノズルとリングギャップノズルとが１つのノズルボディに形成されていて、互いに別個のガス接続部を有していてよく、または内部ノズルのノズル孔とリングギャップノズルのリングギャップとが、ノズルボディもしくは内部ノズルに設けられた少なくとも１つの接続孔を介して互いに接続されているならば、１つの共通のガス接続部を有していてよい。後者の場合、好適には、内部ノズルのノズル孔がガス接続部に接続されていて、リングギャップが接続孔を介してこのノズル孔に接続されている。リングギャップ内側でスリーブが摺動することにより、ガスノズルの流体力学的な特性が、ガスが内部ノズルだけから流出する１つ穴ノズル（一通路ノズル）の特徴から、ガスが内部ノズルからもリングギャップノズルからも流出する副流ノズル（多通路ノズル）の特徴へと変化することができる。１つ穴ノズルは、（切断の際に）主に、薄い鋼板加工や切り込み加工に有利であり、副流ノズルはとりわけ厚い鋼板加工に有利である。したがって、本発明によるガスノズルにより、例えば様々な厚さのワークピースを加工することができ、特に様々な加工方法（例えば、切断、マーキング、溶接）も行うことができる。本発明によるガスノズルの柔軟性により、これまでユーザーのもとで必要とされていたガスノズルの、例えば交換部品保守におけるような多様性を減じることができる。さらには、ノズル交換中の機械の非生産的な停止時間を減じることができる。

この実施形態の別の態様では、スリーブの後方位置では、スリーブの後端面とノズルボディとの間にリング室が形成されていて、該リング室は特に、ノズルボディとスリーブとの間に存在するガイドギャップを介して外部の周囲に接続されており、少なくとも１つの接続開口は、リング室内まで延在する開口として形成されている。各スリーブ位置で存在するリング室とこれに連通している開口とによって、ガス圧を所望のように選択することにより、スリーブを前方に押された位置から後方の終端位置まで吸い込むことができる。

内部ノズルのノズル孔とリングギャップノズルのリングギャップとが開口によって互いに接続されていない別の好適な実施形態では、スリーブの後端面とノズルボディとの間に存在するリング室が、特に、ノズルボディとスリーブとの間に存在するガイドギャップを介して外部の周囲に接続されている。内部ノズルから流出する切断ガスのベンチュリ作用により、空気（酸素）が外部の周囲から吸い込まれ、この空気はスリーブの内側で窒素・切断ガス噴流と混合される。

好適には、弁スリーブの構造的な形状を介して、ワークピース表面上への弁スリーブの押圧力を所望のように調節することができる。切断ガス圧が前進方向に作用するスリーブの表面部分が、特にワークピース表面にスリーブが載置されている状態で、切断ガス圧が後退方向に作用するスリーブの表面部分よりも大きいならば、切断ガス圧は基本的にワークピース表面上へとスリーブを押し付ける力を生じさせる。選択的に切断ガス圧が前進方向に作用するスリーブの表面部分は、ワークピース表面にスリーブが載置されている状態で、切断ガス圧が後退方向に作用するスリーブの表面部分と同じ大きさ、またはこの表面部分よりも（幾分）小さくてよい。この場合、切断ガス圧によりスリーブに作用する浮揚力と押圧力とは、絶対的なガス圧レベルとは関係なく、ちょうど均衡を維持する、または僅かな浮揚力が調節されるので、スリーブは理想的には摩擦なしで、しかしながら常に面状に、平坦なワークピース表面上に載置されながら滑動し、またはスリーブの端面とワークピース表面との間に最小のギャップが形成されるので、スリーブはワークピース表面上で浮動している。スリーブのこのような構成は、特に掻き傷の生じない切断加工のために有利である。

特に好適には、リングギャップの内壁は出口開口の壁によって、特に例えば内部ノズルの円錐状の外面によって形成されている。さらに好適には、スリーブはリングギャップの外壁に摺動可能にガイドされている。

スリーブが一方の（終端）位置でリングギャップノズルを閉鎖する実施形態では、リングギャップには弁座が配置されていて、この弁座に、（弁）スリーブが、リングギャップノズルを閉鎖する位置で当接する。

この実施形態の第１の別の態様では、弁座は、弁スリーブの後方（終端）位置で閉じられており、弁スリーブの前方（終端）位置で開放されている。弁座は例えば、リングギャップの円錐状の壁部分またはリング段部によって形成することができる。弁座は、リングギャップの内壁に配置されているが、リング段部である場合、リングギャップの底部に形成されてもよい。円錐状の壁部分は、弁スリーブの前進方向で先細りしている。

この実施形態の第２の別の態様では、弁座は、弁スリーブの前方（終端）位置で閉じられており、弁スリーブの後方（終端）位置で開放されている。弁座は例えば、リングギャップの円錐状の壁部分またはリング段部によって形成することができ、弁スリーブは、弁座に後退方向で後方から係合するシール面を有している。円錐状の壁部分は、弁スリーブの後退方向で先細りしている。

弁座と協働する弁スリーブのシール面は、弁スリーブに一体に形成されていてよく、または別個のシールリングによって形成されていてよい。別個のシールリングの場合、弁スリーブとシールリングは異なる材料から形成されていてよく、すなわち例えば、弁スリーブをセラミックから、シールリングを金属から形成することができ、これにより、セラミック製の一体的な弁スリーブよりも、弁スリーブの製造コストは減じられ、シールリングはより精密なシール面を有する。

特に好適には、スリーブはセラミック（例えば酸化アルミニウム）から成っている。セラミックは、高周波技術的に十分中立であり、もしくは電気的に非伝導性であるので、本発明によるガスノズルは、通常の副流ノズル（組み込まれたスリーブを有さないノズル）のように、レーザー加工ヘッドの容量式の距離センサによって扱うことができる。さらに、セラミックの高い溶融点および高い耐摩耗性は、スリーブの十分長い耐用期間を保証する。スリーブをセラミックからではなく、セラミックに匹敵する耐熱性かつ非導電性の材料、または少なくとも１００℃までの耐熱性があるプラスチックから形成することができる。この場合、滑動特性、強度、および少なくとも１００℃までの耐熱性（連続使用温度）が重要である。乾いた鋼の上を移動する際の摩擦係数は０．３未満であるべきである。さらに、１０^６Ｈｚの場合の比誘電率は３未満でなければならない。このような要件は例えばテフロンにより満たされる。

好適には、スリーブはその前端面に、半径方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の溝を、またはそのスリーブ壁に、半径方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の孔を、有している。溝および孔の傾斜したもしくは螺旋状の配向により、流出する切断ガスの衝撃がスリーブにトルクを加え、これによりスリーブは回転させられる。選択的に、スリーブは、そのスリーブ壁の外面にも、軸方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の溝を有していてよく、これによりスリーブは、外側でスリーブに沿って軸方向に流れる空気、または外側でスリーブに沿って流れるプロセスガスもしくは保護ガスによって回転させられる。スリーブが回転することにより、例えばワークピース表面の汚れを除去することができ、スリーブ壁に設けられた少なくとも１つの、好適には複数の孔または溝によって、スリーブの下方に位置する処理区域の内側のガス圧を所望のように変更させることができる。

本発明の対象のさらなる利点、好適な態様は、明細書、請求の範囲、図面に記載されている。また、上記特徴およびさらに別の構成の特徴は、単独でも、任意に複数組み合わせたものでも利用することができる。図示し、説明した実施形態は、完結したリストとして理解されるべきではなく、むしろ本発明を示す例としての性質を有している。

本発明によるガスノズルの第１の実施形態を示す図であり、このガスノズルは閉じられた終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第１の実施形態を示す図であり、このガスノズルは開かれた終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第２の実施形態を示す図であり、このガスノズルは閉じられた終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第２の実施形態を示す図であり、このガスノズルは開かれた位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第３の実施形態を示す図であり、このガスノズルは閉じられた終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第３の実施形態を示す図であり、このガスノズルは開かれた位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第４の実施形態を示す図であり、このガスノズルは一方の終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 本発明によるガスノズルの第４の実施形態を示す図であり、このガスノズルは他方の終端位置にあるリングギャップノズルを有している。 リングギャップノズルを備えた本発明によるガスノズルの第５の実施形態を（コア流なしで）示す図である。 図１〜図５に示したスリーブの１つの変化実施例を、スリーブ前端面の平面図で示す図である。 図１〜図５に示したスリーブの１つの変化実施例を示す横断面図である。 図１〜図５に示したスリーブの１つの変化実施例を示す斜視側面図である。 図１〜図５に示したスリーブの１つの変化実施例を示す横断面図である。

以下の図面の説明において、同じもしくは機能的に同じ構成部品には同じ参照符号を用いる。

図１ａ、図１ｂ、および図２ａ、図２ｂに示した切断ガスノズル１，１’は、レーザー加工ヘッド２に配置されていて、レーザービーム３によって加工されるワークピース（例えば鋼板）４に切断ガスを向けるために用いられる。このような切断ガスノズル１，１’は、例えば独国特許発明第１０２０１３２１０８４４号明細書（DE 10 2013 210 844 B3）に開示されているようなレーザー加工機械で使用することができる。

切断ガスノズル１，１’は、ワークピース４に向かってレーザービーム３を貫流させる出口開口１００と、コア流７を形成する内部ノズル６と、内部ノズル６を取り囲む、リング流９を形成するリングギャップノズル８とを備えたそれぞれ１つのノズルボディ５、ならびに内部ノズル６を越えて突出する弁スリーブ１０を有しており、弁スリーブ１０は、リングギャップノズル８のリングギャップ１１内で２つの位置の間で軸方向摺動可能にガイドされている。好適にはセラミックスリーブとして形成された弁スリーブ１０は、一方の位置ではリングギャップノズル８のノズル横断面２５を閉鎖し、他方の位置ではリングギャップノズル８のノズル横断面２５を開放する。少なくとも一方の位置では内部ノズル６を越えて突出する弁スリーブ１０は、リングギャップ１１の外壁１２に摺動可能にガイドされている。内部ノズル６の外面により形成されているリングギャップ１１の内壁１３には弁座１４が形成されていて、この弁座１４には、弁スリーブ１０が、リングギャップノズル８を閉鎖する終端位置において当接する。内部ノズル６は、中央のノズル孔１５を介してガス供給部（図示せず）に接続されている。リングギャップ１１は、１つ以上の接続開口１６を介してノズル孔１５に接続されている。レーザービーム３は、内部ノズル６を通ってワークピース４に向けられる。

弁スリーブ１０は、許容誤差の狭い外側の環状のセンタリングフランジ１７を備えて形成されていて、このセンタリングフランジ１７は、リングギャップ１１の外壁１２に摺動可能に、かつ高度にシールされてガイドされている。リングギャップ１１の外壁１２と外側に向かって鋭角的なまたは丸み付けられたセンタリングフランジ１７との間の機械的な遊びにより、リングギャップ１１の内側で弁スリーブ１０の傾動が二重矢印Ｂで示した方向で約±５°だけ可能である。これにより、ワークピース４上で弁スリーブ１０が移動する際、ワークピース表面の非平坦部分を補償することができる。例えば、切り落とされたワークピース部分の傾動により生じ得るような、ワークピース表面のかすかな段部を越えて、損傷することなく、滑動することができるように、弁スリーブ１０の前端面は、内側および外側でそれぞれ１つの環状の当接傾斜部１８ａ，１８ｂを、３０°〜６０°の面取り角度、特に４５°の面取り角度を有した面取り部の形で有している。

図１ａ、図１ｂに示した切断ガスノズル１において、ノズルボディ５は、レーザー加工ヘッド２内にねじ込まれた（例えば銅から成る）主要ボディ５ａを有している。主要ボディ５ａは、選択的にねじ込まれた、または主要ボディ５ａと一体に形成された内部ノズル６と、リングギャップノズル８とを有していて、さらに主要ボディ５ａの外面にねじ込まれた（例えば銅から成る）固定ナット５ｂを有している。この固定ナット５ｂは、半径方向内側に向かってリングギャップ１１内に突出する固定縁１９を有している。固定縁１９は弁スリーブ１０を紛失しないようにリングギャップ１１内に保持しており、端部ストッパを成している。この端部ストッパに、弁スリーブ１０のセンタリングフランジ１７がその前方の終端位置で当接する。弁座１４は、弁スリーブ１０の前進方向２０で円錐状に互いに接近している、リングギャップ１１の内壁１３により形成されていて、弁スリーブ１０と共にリングギャップ弁を形成する。

図１ａに示した弁スリーブ１０の後方の終端位置（ワークピース４に対する内部ノズル６の間隔Ａは約０〜１ｍｍ）では、弁スリーブ１０はワークピース４上に載置されていて、スリーブ孔の内縁で、弁座１４に密に当接しており、これにより、リングギャップ弁が、ひいてはリングギャップノズル８のノズル横断面２５が閉鎖されている。レーザー加工ヘッド２から切断ガスノズル１内に流入する切断ガスは、内部ノズル６の中央の（ノズル）出口開口１００からのみ、コア流７として流出することができる。このような１つ穴ノズル（一通路ノズル）は、例えば薄い鋼板加工の際に所望される。

弁スリーブ１０が後方の終端位置から前方に向かって摺動されると、弁スリーブ１０は弁座１４から持ち上がり、リングギャップ弁を開放する。この場合、弁スリーブ１０の摺動が進むにつれ、弁スリーブ１０と内壁１３との間のギャップはますます広くなり、すなわち、ノズル開口２５がますます広くなるので、切断ガスの増大した部分は、もはや内部ノズル６のノズル出口開口１００からではなく、接続開口１６を介してリングギャップ１１内へと流れ、このリングギャップ１１からリングギャップノズル８を通ってリング流９として流出する。切断ガスが内部ノズル６からもリングギャップノズル８からも流出するこのような副流ノズル（多通路ノズル）は、とりわけ、比較的厚いワークピースの切断の際に所望される。図１ｂでは、弁スリーブ１０は前方の終端位置で示されていて、この場合、内部ノズル６からワークピース４までの間隔Ａは、後方の終端位置にある場合よりも、少なくとも両終端位置間の弁スリーブ１０の摺動距離分だけ大きい。

弁スリーブ１０の後端面２１は、センタリングフランジ１７があるため、部分面１８ａにより形成された前端面よりも著しく大きいので、ノズル内部と周囲との間の差圧は、前進方向２０で弁スリーブ１０を前進させ、既にワークピース表面上に弁スリーブ１０が載置されている場合は、切断ガス圧に比例する、ワークピース表面への弁スリーブ１０の押圧力が発生する。弁スリーブ１０の、圧力に比例するこのような空気力学的なばね的付勢により、ワークピース表面から弁スリーブ１０が持ち上がることは確実に阻止される。後退方向２２での弁スリーブ１０の戻しは、切断ガスノズル１をワークピース４に向かって異なる距離で下降させることにより行われる。これにより弁スリーブ１０はワークピース表面上に載置され、次いで後退方向２２で戻させられる。

図２ａ、図２ｂに示した切断ガスノズル１’では、ノズルボディ５は、レーザー加工ヘッド２内にねじ込まれた（例えば銅から成る）外側のノズルボディ５ａと、外側のノズルボディ５ａ内にねじ込まれた、またはプレス嵌めされた、または接着された（例えば銅から成る）内側のノズルボディ５ｂとを有している。外側のノズルボディ５ａは、リングギャップ１１の外壁１２を成し、内側のノズルボディ５ｂは、内部ノズル６を含み、その外面でリングギャップ１１の内壁１３を成している。弁座１４は、後退方向２２で円錐状に互いに接近する内壁１３の前方の壁区分２４によって形成され、弁スリーブ１０の段部として成形された内輪郭、または弁スリーブ１０の後端面に取り付けられていて前進方向２０で弁座１４に後方から係合するシールリング２３と協働する。シールリング２３もしくは弁スリーブ１０の段部は、弁スリーブ１０を紛失しないようにリングギャップ１１内に保持する。弁座１４は、弁スリーブ１０と共にリングギャップ弁を形成する。

図２ａに示した弁スリーブ１０の前方の終端位置では、弁スリーブ１０はワークピース４から間隔を置いて位置していて、シールリング２３で弁座１４に密に当接しており、これにより、リングギャップ弁が、ひいてはリングギャップノズル８のノズル横断面２５が閉鎖されている。レーザー加工ヘッド２から切断ガスノズル１’内に流入する切断ガスは、内部ノズル６の中央のノズル出口開口１００からのみ、コア流７として流出することができる。このような１つ穴ノズル（一通路ノズル）は、レーザー加工ヘッド２ひいては内部ノズル６が、ワークピース表面に対して大きな間隔を有している場合に、レーザービーム３によるワークピース４の切り込み加工の際に、または薄い鋼板加工の際に所望される。

弁スリーブ１０の前方の終端位置から、ワークピース表面４の方向へと加工ヘッド２が沈み込むことにより、弁スリーブ１０が後退方向２２で図２ｂに示した位置へと戻されると、弁スリーブ１０は弁座１４から持ち上がり、リングギャップ弁は開放され、これにより切断ガスは接続開口１６を介してリングギャップ１１内へも流出し、このリングギャップ１１からリングギャップノズル８のノズル横断面２５を通ってリング流９として流出する。切断ガスが内部ノズル６のノズル出口開口１００からもリングギャップノズル８からも流出するこのような副流ノズル（多通路ノズル）は、とりわけ、比較的厚いワークピースの切断の際に所望される。図２ｂでは、弁スリーブ１０はワークピース４への当接状態で示されていて、この場合、内部ノズル６からワークピース４までの間隔Ａは、ワークピース４に載置されるスリーブが前方の終端位置にある場合よりも、弁スリーブ１０の摺動距離分だけ小さい。

弁スリーブ１０は図示した例では、運転中、絶対ガス圧レベルとは無関係に、切断ガス圧によって弁スリーブ１０に作用する浮力と押圧力とが、まさに均衡を維持するように形成されているので、弁スリーブ１０はほぼ摩擦なく、しかしながら常に、（平らな）ワークピース表面上に面状に載置されるように滑動する。このことは、切断ガス圧が前進方向２０に作用する弁スリーブ１０の表面部分が、切断ガス圧が後退方向２２に作用する弁スリーブ１０の表面部分と同じ大きさであることにより達成される。図示した例では、弁スリーブ１０とシールリング２１とによって形成された後端面は、ワークピース４上に弁スリーブ１０が載置されている場合には、切断ガス圧によって負荷される、内側の当接傾斜部１８ａによって形成された前端面と（投影図で）同じ大きさである。前進方向２０での弁スリーブ１０の摺動は、ワークピース４上に弁スリーブ１０が載置されていない場合は切断ガス圧によって行われる。弁スリーブ１０の後退方向２２での戻しは、切断ノズル１をワークピース４に向かって異なる距離で下降させることにより行われる。これにより弁スリーブ１０はワークピース表面上に載置され、後退方向２２で戻させられる。このような面積比を所望のように変化させることにより、実際のガス圧とは無関係にワークピース４上方で弁スリーブ１０の規定された浮揚状態を得ることができ、これにより例えば、引っ掻き傷なしの切断加工が可能である。

切り込み加工後に、スラグや凝固した金属飛沫から成る堆積物がワークピース表面上に付着している場合は、切り込み孔から、実際の切断輪郭の開始部までのレーザービーム３の経路上で、ワークピース表面の汚れのため、弁スリーブ１０をそこで既にワークピース４上に同一平面状に載置するのには適していない領域を克服しなければならない。切り込み位置と実際の切断輪郭との間のこのような移行領域（いわゆる「予備切断部」）では、ノズル特性をＮＣ制御により切り換える手段が同様に有利に作用する。予備切断部の領域では、１つ穴ノズル（一通路ノズル）のノズル特性は、安定的な切断プロセスのために有利であり、実際の構成部分輪郭に到達した際には、より厚いワークピースの切断のために有利であるならば、副流（多通路）特性に切り換えることができる。

この切断ガスノズル１’は、大きな間隔で切り込み加工する場合、従来の１つ穴ノズル（一通路ノズル）と同じ特性を有している。したがって、切り込みプロセスパラメータのために付加的なデータ計算は必要ない。内部ノズル６の中央の開口１００だけから流出することができる切り込み加工の際のコンパクトなガス流により、切断ガスノズル１’は、飛沫または煙による汚染から最良に保護されている。切り込み孔から外部に放出される金属飛沫の軌道および冷却特性に対して良好に影響を与えることができるので、できるだけ飛沫のない切り込み加工が得られる。

切断ガスノズル１，１’が載置された状態で、切断ガスノズル１，１’とワークピース表面との間の領域をほぼガス密にカプセル封止することにより、
切断ギャップ内に進入する（＝使用プロセス）のではなく、薄板表面上を水平に処理区域から流出してしまう（＝損失プロセス）ガス量を最小限にし、
これにより機械側から提供される最大切断ガス圧もしくは必要な最大切断ガス流量を最小限にし、
切断ガスノズル１，１’により生じる騒音エミッションを最小限にし、
切断ギャップ内への切断ガスの進入が改善されることにより、機械側からの所定の最大ガス圧のもとでは、さらに大きな薄板厚さを切断することができ、
切断ギャップ内に吸い込まれる周囲空気との切断ガス（例えば、純度の高い酸素）の有害な混合を阻止する。

ノズルボディ５における弁スリーブ１０の「浮動する」傾動支持により、切断作動中に、
ノズルと薄板との間の間隔ＡのＮＣ制御された変更が可能であり、これにより、
弁スリーブ１０の内側で流れの分布を所望のように変更することができ、これにより、切断ガスノズル１，１’を、従来の１つ穴ノズル（一通路ノズル）としても、消費が最小限にされた副流ノズル（多通路ノズル）としても柔軟に使用することができ、
切断ガスダイナミクスの変更なしに、ひいては、切断結果の変更もなしに、平坦でないワークピース表面を自動的に補償することができる。

図示したような円錐の代わりに、弁座１４は、平らなリング状段部としても、特にリングギャップ１１の底部に形成することもできる。

図３ａ、図３ｂに示した切断ガスノズル１’’は、図２の切断ガスノズル１’とは、内部ノズル６のノズル孔１５とリングギャップノズル８のリングギャップ１１とが互いに接続されておらず、すなわち接続孔が設けられておらず、弁スリーブ１０の後端面２１とノズルボディ５との間に存在するリング室２６が、ノズルボディ５と弁スリーブ１０との間に存在するガイドギャップ２７を介して外部の周囲に接続されている点で異なっている。したがって、切断ガスノズル１，１’のもとでは所望された、周囲の雰囲気に対する弁スリーブ１０もしくはセンタリングフランジ１７の外径のシールは、好適には省かれる。

後方のスリーブ端面と前方のスリーブ端面との間の比は、切断作動時に、弁スリーブ１０に作用するガス圧力が、使用される切断ガス圧とは関係なく、弁スリーブ１０の規定された浮動状態を発生させるように選択されており、これにより、前方のスリーブ端面とワークピース表面との間の規定された、再現可能に調節可能なギャップを通って、十分高い損失ガス流が弁スリーブ１０から逃げる。

これに対して選択的に、ガス流出通路からスリーブ端面への、またはガス流出孔からスリーブの円筒部分への適切な進入によっても、十分高い損失ガス流が得られる。

切断ガスノズル１’’が、図３ａに示した閉鎖弁位置から出発して、ワークピース４に対する内部ノズル間隔Ａをますます小さくしながら作動されると、弁スリーブ１０は弁座１４から持ち上がり、リングギャップ弁はますます開かれる（図３ｂ）。内部ノズル６から流出する切断ガスのベンチュリ作用により、（ますます多くの）空気（とひいては酸素）２８がガイドギャップ２７を介して、外部の周囲からリング流９として吸い込まれ、この空気は、弁スリーブ１０の内側で窒素・切断ガス噴流と混合される。ワークピース４に対する内部ノズルの間隔Ａに応じて、このようにして、切断ガスとして使用される窒素流内の他のガス成分を、周囲からの酸素によって所望のように調節することができる。すなわち切断ガスノズル１’’は調節可能なガス混合ノズルとして機能する。ワークピース４に対する内部ノズルの間隔Ａを正しく選択することにより、切断ガス内に結果として生じる酸素の割合を、実際の切断プロセスの必要性に合わせて（例えば、レーザー出力、薄板厚さ、圧延外皮表面特性に応じて）再現可能かつ調節可能に適合させることができる。

このように調節可能なガス混合ノズルにより、例えば、ＣＯ_２レーザービームによるアルミニウムの切断の際に、純度の高い窒素切断ガス流内に周囲からの０．５〜２％の酸素を制御して混合することにより、プロセス効率および安定性を高めることができる。僅かな酸素含有率があることにより、切断プロセスにおいて、吸収率を高め、溶融粘性を低下させることができる。

周囲空気の混合がなされるべきではない場合には、ワークピース４に対する内部ノズルの間隔Ａは、弁スリーブ１０が円錐状の弁座１４上に載置され、リングギャップ１１が閉鎖される（図３ａ）まで拡大されなければならない。このようにして、高純度の切断ガスビームを切断ギャップ内へ進入させることができ、周囲の雰囲気による汚染は最小限にできる。このことは、例えば無酸化物構成部品の切断のために有利である。

別の図示されていない変化実施形態では、ガスノズルは選択的に、内部ノズル６のノズル孔１５とリングギャップノズル８のリングギャップ１１とが互いに接続されておらず、すなわち接続孔が設けられておらず、弁スリーブ１０の後端面２１とノズルボディ５との間に存在するリング室２６が外部の周囲に接続されていないように構成されている。このような変化実施形態では、ガスノズルは常に一通路ノズルとして機能する。流れ特性の変更は、このようなガスノズルでは不可能であるが、切断ギャップへの切断ガスの進入もしくは溶接の際の保護ガスの作用は改善される。

図４ａ、図４ｂに示した切断ガスノズル１’’’は、図２の切断ガスノズル１’とは、接続開口１６が、スリーブ１０の後方の終端位置（図４ａ）において前方の終端位置（図４ｂ）まで、内部ノズル６のノズル孔１５とリングギャップノズル８のリングギャップ１１とを互いに接続する軸方向の長孔として形成されていて、スリーブ１０の後方の終端位置では、スリーブ１０の後端面２１とノズルボディ５との間にリング室２６が残されていて、このリング室２６が、ノズルボディ５とスリーブ１０との間に存在するガイドギャップ２７を介して外部の周囲に接続されている点で異なっている。接続孔１６と、各スリーブ位置で存在するリング室２６とによって、スリーブ１０を、前方に押された位置から、ガス圧を所望のように選択することにより、後退方向２２で後方の終端位置まで吸い込むことができる。スリーブ１０の後方の終端位置は、内部ノズル６の円錐状の外面へのスリーブ後端面の当接によって、またはノズルボディ５への前方のスリーブ縁部１８ｃの当接によって規定される。

切断ガスノズル１，１’，１’’とは異なり、切断ガスノズル１’’’のスリーブ１０は、外方に向かって鋭角的なまたは丸み付けられたセンタリングフランジを有しておらず、この場合、ノズルボディ５の主要ボディ５ａの内壁によって形成されたリングギャップ１１の外壁１２は、前進方向２０で円錐状に先細りしていて、リングギャップ１１の内側でスリーブ１０は、約±５°傾動することができる。選択的または付加的に、スリーブ壁も外側で、後退方向２２で特に円錐状に先細りしていてよい。

切断ガスノズル１’’’はこの場合、以下のように働く：
切断ガス流をオンにした場合、まず、リング室２６もしくはスリーブ１０の後端面２１に負圧が形成され、この負圧によりスリーブ１０は、このスリーブ１０がワーク表面と接触しない場合でも、ノズルボディ５内へと後方の終端位置まで引き込まれる。切断ガスのガス圧が、スリーブ１０の重量により規定される境界圧（例えば３ｂａｒ）よりも低いままならば、スリーブ１０は吸い込まれたままである。この状態は、例えば、切り込み加工の際や、ワークピースの彫刻加工または目印を付ける加工のためにノズルを使用する際に、またはブラシによるノズル洗浄の際に、すなわち特に、ワークピース４に対して大きなノズル間隔を置いて作業が行われる移動の際に、スリーブ１０を損傷または汚染から保護するために有効であるが、スリーブ１０はノズルボディ５内で後方の終端位置に留まらなければならない。

ガス圧が、境界圧を越えて高くなると、切断ガスはますます乱流状態となり、内部ノズル６と弁スリーブ１０との間のリングギャップ１１を通って流れ、これにより切断ガスの前方に向けられた力の作用も増大するので、弁スリーブ１０は切断ガスによって前進方向２０で押される。このような状態は、ワークピース４の切断時に生じるので、スリーブ１０はワークピース表面と接触する。これにより、切断ガスの側方からの流出と、周囲空気の切断ギャップへの吸い込みとが効果的に阻止される。このようにしてガス消費は減じられ、切断ギャップ内には、正確に規定されたガス組成が維持される。これにより得られる切断縁の品質は明らかに改善される。切断作動後に、スリーブ１０を再び吸い込むためには、ノズルボディ５の入口１５におけるガス圧をまずは殆ど０ｂａｒに減じなければならない、または完全に遮断しなければならない。ガス圧が再び、ちょうど境界圧以下の圧力に高められると、重力に基づきその前方の終端位置でノズルボディ５の突出部２９に位置していたスリーブ１０の吸い込みが行われる。境界圧以下の一定のガス圧のもとでは、スリーブ１０は永続的に、ノズルボディ５内で後方の終端位置に留まる。

図３および図４に示したものの代わりに、ガイドギャップ２７を介して、外部の周囲からの空気を、ノズルボディ５に設けられた、リング室２６を外部の周囲に接続する穴（図示せず）からも吸い込むことができる。

図４の切断ガスノズル１’’’とは異なり、図５に示したガスノズル１’’’’は、ノズル孔１５とリングギャップ１１との間に接続孔を有しておらず、レーザービーム３だけが、内部ノズル６のビーム出口開口１００を通って、ワークピースの方向へと出射する。ノズルボディ５に設けられた供給管路３０を介して、プロセスガスまたは保護ガスがリング室２６へと供給される。次いでこのガスはリング室２６から、ノズル横断面２５を通ってスリーブ１０内に流入し、スリーブ１０からリング流９として流出する。このようなノズル１’’’’は特に、溶接プロセスに適している。

図６ａ〜図６ｄには、スリーブ１０の様々な変化実施例が示されている。

スリーブ１０がその前端面３１に、半径方向に対して傾斜した、または螺旋状に延在する複数の、この例では２つの溝３２（図６ａ）を、または円筒状のスリーブ壁３３に、半径方向に対して傾斜して延在する複数の、この例では２つの孔３４（図６ｂ）を有しているならば、スリーブ１０は、この溝３２または孔３４内へと内部から外部へ流出する切断ガスによって回転させられる。溝３２は極めて細く平らに構成することができるので、切断ガスのうち僅かな部分だけが溝３２を通って周囲へと流出する。溝３２および孔３４が傾斜して、もしくは螺旋状に方向付けられていることにより、流出する切断ガスの衝撃が、弁スリーブ１０にトルクを加え、これにより弁スリーブ１０は回転させられる。選択的に、円筒状のスリーブ壁３３には外面に、軸方向に対して傾斜して延在する複数の溝３５（図６ｃ）が設けられていてもよく、これにより弁スリーブ１０は、ガイドギャップ２７において軸方向で流れる空気２８もしくはプロセスガスまたは保護ガスにより回転させられる。回転を引き起こす構造に加えて付加的に、弁スリーブ１０は円筒状のスリーブ壁３３に、単数または複数の細い孔３６を有していてよい。

スリーブ１０の回転は、好適には以下のように利用することができる：
スリーブ１０が耐摩耗性の高い材料、例えば酸化セラミクス（Ａｌ２Ｏ３）から製造されている場合、スリーブ１０は前端面３１で、例えば旋削工具またはフライス工具の使用時に、ワークピース表面の汚れを運動量伝達により、ある程度削り取ることができる。スリーブ１０がワークピース表面と常に機械的に接触しているならば（スリーブ１０は回転している）、例えば油膜、酸化層、インク残留物、接着剤残留物、煙残留物、金属滴などの面状の汚染物を除去することができる。しかしながら、直接的な機械的接触により、セラミックスリーブ１０は、ワークピース表面に掻き傷跡を残す場合がある。さらにスリーブ１０の回転により、スリーブ１０とワークピース表面との間の付着摩擦や、局所的な加熱によるスリーブ１０の摩耗が減じられる。

スリーブ１０が、例えばその端面３１における溝３２（図６ａ）またはスリーブ壁３３における孔３４，３６（図６ｂ、図６ｄ）のような形状的な構造部分を有しているならば、このような構造部分を通って、プロセスガスの僅かな部分が局所的に限定されて、スリーブ１０の内室から周囲へと流出することができるので、スリーブ１０の回転により、スリーブ１０の下方にある（ワークピース４における）処理区域のプロセスガス圧を所望のように変更することができる。所望のように発生させられたこのような圧力変動は、例えばレーザー切断の際に、形成されるワークピース４の切断縁の品質に有利に作用する。

スリーブ１０を、セラミックの代わりに、セラミックほど耐熱性を有していなくてよいプラスチックから製造することもできる。プラスチックによる良好な滑動特性により、ワークピース上でのスリーブ１０の移動の際のワークピース表面への掻き傷の形成を減じる、またはこれを完全に回避することができる。

Claims (17)

1. レーザー加工ヘッド（２）用のガスノズル（１；１’；１’’；１’’’）であって、レーザービーム（３）をワークピース（４）へと貫通させる出口開口（１００）と、該出口開口（１００）を取り囲むリングギャップ（１１）と、該リングギャップ（１１）内に配置されたスリーブ（１０）と、を有していて、該スリーブ（１０）は、前記リングギャップ（１１）内で、後方位置と前方位置との間で軸方向摺動可能にガイドされていて、少なくとも前記前方位置で前記出口開口（１００）を越えて突出する、レーザー加工ヘッド（２）用のガスノズル（１；１’；１’’；１’’’）において、
   前記スリーブ（１０）は、前記リングギャップ（１１）内で傾動可能に支持されていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド（２）用のガスノズル（１；１’；１’’；１’’’）。
2. 前記スリーブ（１０）は、該スリーブの外側で全周にわたって延在する、鋭角的なまたは丸み付けられたセンタリングフランジ（１７）を有しており、該センタリングフランジ（１７）は、前記リングギャップ（１１）の外壁（１２）に摺動可能にガイドされていて、かつ傾動可能に支持されている、請求項１記載のガスノズル。
3. 前記リングギャップ（１１）の前記外壁（１２）が前進方向（２０）で、かつ／または前記スリーブの壁の外面が後退方向（２２）で、特に円錐状に、先細りしている、請求項１または２記載のガスノズル。
4. 前記出口開口（１００）は、コア流（７）を前記ワークピース（４）に向ける内部ノズル（６）のノズル出口開口によって形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のガスノズル。
5. 前記リングギャップ（１１）は、リング状のガス流（９）を前記ワークピース（４）に向けるリングギャップノズル（８）に形成されており、前記スリーブ（１０）は、前記リングギャップノズル（８）のノズル横断面（２５）を前記両位置で異なる広がりで開放し、好適には前記スリーブ（１０）は、一方の位置では前記リングギャップノズル（８）を少なくともほぼ、特に完全に閉鎖し、他方の位置では前記リングギャップノズル（８）を開放する、請求項１から４までのいずれか１項記載のガスノズル。
6. 前記内部ノズル（６）と前記リングギャップノズル（８）とは１つのノズルボディ（５）に形成されており、前記内部ノズル（６）のノズル孔（１５）と前記リングギャップノズル（８）の前記リングギャップ（１１）とは少なくとも１つの接続開口（１６）を介して互いに接続されている、請求項４または５記載のガスノズル。
7. 前記スリーブ（１０）の前記後方位置において、前記スリーブ（１０）の後端面（２１）と前記ノズルボディ（５）との間にリング室（２６）が形成されていて、該リング室は特に、前記ノズルボディ（５）と前記スリーブ（１０）との間に存在するガイドギャップ（２７）を介して外部の周囲に接続されており、前記少なくとも１つの接続開口（１６）は、前記リング室（２６）内まで延在する開口として形成されている、請求項６記載のガスノズル。
8. 前記内部ノズル（６）と前記リングギャップノズル（８）とは１つのノズルボディ（５）に形成されており、前記内部ノズル（６）のノズル孔（１５）と前記リングギャップノズル（８）の前記リングギャップ（１１）とは互いに接続されておらず、前記スリーブ（１０）の前記後端面（２１）と前記ノズルボディ（５）との間に存在する前記リング室（２６）は、特に、前記ノズルボディ（５）と前記スリーブ（１０）との間に存在するガイドギャップ（２７）を介して外部の周囲に接続されている、請求項４または５記載のガスノズル。
9. ガス圧が前進方向（２０）に作用する、前記スリーブ（１０）の表面部分は、ガス圧が後退方向（２２）に作用する、前記スリーブ（１０）の表面部分よりも大きい、請求項１から８までのいずれか１項記載のガスノズル。
10. ガス圧が前進方向（２０）に作用する、前記スリーブ（１０）の表面部分は、ガス圧が後退方向（２２）に作用する、前記スリーブ（１０）の表面部分と同じ大きさであるか、またはそれよりも小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のガスノズル。
11. 前記リングギャップ（１１）の内壁（１３）は前記出口開口（１００）の壁によって形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガスノズル。
12. 前記スリーブ（１０）は、前記リングギャップ（１１）の前記外壁（１２）に摺動可能にガイドされている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガスノズル。
13. 前記スリーブ（１０）の前端面は、内側かつ／または外側に、当接傾斜部（１８ａ，１８ｂ）を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載のガスノズル。
14. 前記スリーブ（１０）はセラミック、またはこれに匹敵する耐熱性かつ非導電性の材料、または少なくとも１００℃までの耐熱性があるプラスチックから形成されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のガスノズル。
15. 前記スリーブ（１０）はその前端面（３１）に、半径方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の溝（３２）を、またはそのスリーブ壁（３３）に、半径方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の孔（３４）を、有している、請求項１から１４までのいずれか１項記載のガスノズル。
16. 前記スリーブ（１０）はそのスリーブ壁（３３）の外面に、軸方向に対して傾斜して延在する少なくとも１つの、好適には複数の溝（３５）を有している、請求項１から１５までのいずれか１項記載のガスノズル。
17. 前記スリーブ（１０）はそのスリーブ壁（３１）に、少なくとも１つの、好適には複数の孔（３６）を有している、請求項１から１６までのいずれか１項記載のガスノズル。

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