JP2018531799A - レーザ部品の水冷のためのレーザ加工ヘッド用の熱調整装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ加工ヘッド（１０４、１０８）を熱的に調整するための熱調整装置（１００）を特徴とする。熱調整装置（１００）は、本体（１１２）を含み、本体（１１２）は、熱調整装置（１００）がレーザ加工ノズル（１０４、１０８）に取り付けられたときに、レーザ加工ノズル（１０４）に嵌合し、本体（１１２）とレーザ加工ノズル（１０４）の外面との間の液体流路（１３６）の流体流境界を画定する形状にされている。熱調整装置（１００）はまた、本体（１１２）の第１の端部に形成され、且つ液体流路（１３６）に液体を提供するように構成された入口（１４０）を含み、液体は、レーザ加工ノズル（１０４）の外面の外側に留まる。熱調整装置（１００）はまた、第１の端部の反対側の本体（１１２）の第２の端部に形成された出口（１４４）を含む。出口（１４４）は、液体流路（１３６）から液体を排出するように構成されている。

Description

本発明は、一般にレーザ切断システムおよび方法の分野に関する。より詳細には、本発明は、切断作業中にレーザ部品を冷却するための改良された方法および装置に関する。

レーザ切断機などの材料加工装置が、材料の切断、溶接、および熱処理で広く使用されている。レーザ切断機は、一般に、高出力レーザ、ノズル、ガス流、光学系、およびコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）システムを含む。レーザビームおよびガス流は、ノズルの開口を通過してワークピースに衝突する。レーザビームはワークピースを加熱し、ガスとワークピース材料との間の化学反応と相まって、ワークピースの選択された領域を変更して（たとえば、液化および／または蒸発させて）、操作者がワークピースを切断するまたは他の形式で変形することを可能にする。レーザ光学系およびＣＮＣが、切断動作中にワークピースに対してレーザビームを位置決めするために使用される。レーザビームは小さなスポットサイズに集束させることができ、それにより、金属などの工業用強度の材料を加工するのに望ましい強度および出力密度を達成するので、レーザは材料加工用途において頻繁に使用される。

レーザ加工システムの消耗品および他の部品の冷却は、システムの寿命および性能、たとえば、レーザヘッドおよび消耗品の寿命および性能を改善することができる。一部の従来のレーザノズルは、ガス冷却システムのみに依存している。そのようなノズルでは、ガスがレーザビームと同軸の通路に通され、特定のノズル表面に衝突するように向けられて余分な熱エネルギーを除去し、それにより、ノズルを冷却し、寿命を延ばし、切断品質を改善する。他のレーザ加工システムは、動作中にノズルに対して向かって中を通るように設計された液体（たとえば水）を冷却するための一連の通路を有する複雑なレーザヘッドを含み、それらの通路はレーザヘッドに一体化されている。そのような構成は、他の従来のガス冷却のみのノズルよりも強化された冷却および性能を提供し得るが、レーザ機械加工ヘッドに多大な複雑さ（たとえば、レーザ機械加工ヘッド内の液体通路の形成および液体供給部への接続）が組み込まれ、かなりのメンテナンスが行われることを必要とする。そのような従来技術の構成はまた、レーザ機械加工ヘッドおよびシステム自体の柔軟性および多用途性を低下させ、潜在的に、レーザ加工機を水冷切断またはガス冷却切断のいずれかに設定することを必要とし、液冷動作とガス冷却動作との間で移行するために（消耗品だけでなく）レーザ機械加工ヘッド自体を置き換えることを必要とする。さらに、レーザ加工ヘッドおよびノズルホルダ内の液体の大量の循環により、これらのシステムおよび部品の劣化、酸化、および寿命短縮のおそれがある。

本技術は、操作者が、レーザ機械加工ヘッドを切り換えまたは交換する必要なく、レーザ加工システムのガス冷却動作と液冷動作との間で迅速且つ容易に移行をすることを可能にするシステムおよび方法を提供する。この技術は、レーザ加工ヘッド自体に対して実質的に外部であり分離可能であるレーザノズルに対するオプションまたは除去可能である水冷を提供する。

一態様では、本発明は、レーザ加工ヘッド用の熱調整装置を特徴とする。熱調整装置は、本体を備え、本体は、熱調整装置がレーザ加工ノズルに取り付けられたときに、レーザ加工ノズルに嵌合し、且つ本体とレーザ加工ノズルの外面との間の液体流路の流体流境界を画定する形状にされている。熱調整装置はまた、本体の第１の端部に形成され、且つ液体流路に液体を提供するように構成された入口を備え、液体は、レーザ加工ノズルの外面の外側に留まる。熱調整装置はまた、第１の端部の反対側の本体の第２の端部に形成され、且つ液体流路から液体を排出するように構成された出口を備える。

いくつかの実施形態では、液体はノズルホルダの外側に留まる。いくつかの実施形態では、出口は、液体を熱調整装置から半径方向外側に向けるように構成される。いくつかの実施形態では、出口は、レーザ加工ヘッドと同軸に液体を向けるように構成され、液体は、レーザ加工ノズルの周囲で空気へ排出される。いくつかの実施形態では、本体は、レーザ加工ノズルを実質的に円周状に囲む形状にされる。いくつかの実施形態では、熱調整装置は、入口に接続され、且つ本体に液体を供給するように構成された第１の導管と、出口に接続され、且つ本体から液体を遠ざけるように向けるように構成された第２の導管と、を備える。いくつかの実施形態では、熱調整装置の本体は、実質的に環状の形状を有する。いくつかの実施形態では、熱調整装置は、レーザ加工ノズルに組付け可能（ｒｅｔｒｏ−ｆｉｔｔａｂｌｅ）である。いくつかの実施形態では、熱調整装置は、レーザ加工ノズルの周りを自由に回転可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置は再使用可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置は、動作中にレーザ機械加工ヘッドを所定の位置に留まらせながら、ガス冷却モードと液冷モードとの間で切替え可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置は、アルミニウムまたはプラスチック部品をさらに備える。

別の態様では、本発明は、レーザ加工ヘッド用の熱放散部品を特徴とする。熱放散部品は、長手軸を有する実質的に円筒形のコアを備える。実質的に円筒形のコアは、長手軸の周りに配向された円周状内面を画定し、且つ／またはレーザ加工ノズルの外面を少なくとも部分的に取り囲む形状にされる。円周状内面およびレーザ加工ノズルは、ノズルの第１の外側部分の周りに配置された第１の半円形液体流路と、ノズルの第２の外側部分の周りに配置された第２の半円形液体流路とを画定する。熱放散部品はまた、コアに形成され、且つ２つの半円形液体流路に液体を提供する形状にされた入口を備える。２つの半円形液体流路は、レーザ加工ヘッドの外側に液体を維持するように構成される。熱放散部品はまた、コアに形成され、且つ２つの半円形液体流路から液体を排出するように構成された出口を備える。熱放散部品はまた、入口に液体を供給するための、入口と流体連通した第１の導管を備える。熱放散部品はまた、出口から液体を排出するための、出口と流体連通した第２の導管を備える。いくつかの実施形態では、２つの半円形液体流路は、トーチヘッドにおける流路に流体接続される。

上記の議論は、添付の図面と併せて以下の発明の詳細な説明からより容易に理解されよう。

本発明の例示的実施形態による、ノズルホルダ内のレーザノズルの周りに配置された熱調整装置の断面図。 本発明の例示的実施形態による、動作中のレーザ加工ヘッド用の熱調整装置の外観図。 本発明の別の例示的実施形態による、ノズルホルダ内のレーザノズルの周りに配置された熱調整装置の断面斜視図。

図１は、本発明の例示的実施形態による、ノズルホルダ１０８内のレーザノズル１０４の周りに配置された熱調整装置１００（たとえば、熱放散部品）の断面図である。熱調整装置１００は、長手軸１１６を有する本体１１２（たとえば、実質的に円筒形のコア）と、第１の装置オリフィス１２０（たとえば、ここでは入口）と、第２の装置オリフィス１２４（たとえば、ここでは出口）と、を備える。入口１２０は、本体１１２の第１の端部１４０に形成され、液体流路１３６（たとえば、断面が図示されている環状領域）に液体を提供するように構成される。出口１２４は、第１の端部１４０の反対側の本体１１２の第２の端部１４４に形成され、液体流路１３６から液体を排出するように構成される。

本体１１２は、嵌合面１２８（たとえば、長手軸１１６の周りに配向された円周状内面）を備え、嵌合面１２８は、レーザ加工ノズル１０４に嵌合する形状にされる（たとえば、レーザ加工ノズル１０４の外面１３０を少なくとも部分的に取り囲む形状にされる）。本体１１２は、熱調整装置１００がレーザ加工ノズル１０４に取り付けられたときに本体１１２とレーザ加工ノズル１０４の外面１３０との間に存在する液体流路１３６（たとえば、ノズル１０４の周りに配置された２つの半円形液体流路）の流体流境界１３２を画定する。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は環状の形状を有し、それにより、熱調整装置１００がレーザノズル１０４の周りに配置される（たとえば、レーザノズル１０４に接続され、且つ／またはレーザノズル１０４を少なくとも部分的に取り囲む）ことが可能になる。

切断動作中に、図２で示され後述されるように、たとえば、入口１２０と流体連通した第１の導管を介して、液体（たとえば水）が熱調整装置１００に供給される。ノズルホルダ１０８を全く変更または調節する必要なく、液体は、流路１０１に沿って流れ、入口１２０を通って、液体流路１３６を含むレーザノズル１０４の内部に入る。この工程の間、液体は、液体流路１３６に流れ込み、レーザノズル１０４の外面１３０の周りに流れる。熱がレーザノズル１０４から液体に伝達され、それによりレーザノズル１０４を冷却することができる。いくつかの実施形態では、液体の少なくとも一部が、環状領域１３６においてノズル１０４の周りを円周方向に（たとえば、ページの平面を出入りするノズル１０４の周囲の２つの半円形経路で）流れて、出口１２４に流れ込む。出口１２４に入った流体は、次いで、図２で示され後述されるように、たとえば、出口１２４と流体連通した第２の導管を介して、熱調整装置１００から出る。この構成は、ノズルホルダ１０８および／またはレーザ加工ヘッドの外側に液体が留まることを可能にする。レーザ加工ヘッドの酸化または劣化の危険の最小化、レーザ加工ヘッドの複雑さの低減、およびレーザ加工システムの柔軟性および多用途性の増大を含む、多くの利点が、この手法から（たとえば、液冷動作とガス冷却動作との間の移行のために熱調整装置１００の迅速な取外しおよび取付けを可能にすることにより）可能になる。

いくつかの実施形態では、ノズル１０４は、前方部分１４８を含む。前方部分１４８は、流体通路１６４を含むことができる。切断動作中、液体の一部は、図示されるように、流体通路１６４を通って移動し、ノズル孔１６８に近接して排出されてもよい。そのような構成は、ノズル内の熱を減らし、先端近くでノズルを冷却するのを助けることができる。そのような実施形態では、入口１２０を通ってシステムに入る液体流は、出口１２４を通って出る液体流と、液体通路１６４を通ってノズル孔１６８に近接して排出される液体流との和に等しくなり得る。いくつかの実施形態では、第１の装置オリフィス１２０と第２の装置オリフィス１２４との両方が入口であり、この場合、すべての液体が液体通路１６４を通って出ることが可能である。

いくつかの実施形態では、本体１１２は、レーザ加工ノズル１０４を実質的に円周状に囲む形状にされる。いくつかの実施形態では、ノズル１０４の前方部分１４８も、レーザ加工ノズル１０４を実質的に円周状に囲む形状にされる。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、レーザ加工ノズル１０４に組付け可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、レーザ加工ノズル１０４の周りを自由に回転可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、再使用可能であり、たとえば、交換を要する前に多くの連続した切断動作において使用することができる。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、動作中にレーザ加工ヘッドを所定の位置に留まらせながら、ガス冷却モードと液冷モードとの間で切替え可能である。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、アルミニウムまたはプラスチック部品（たとえば本体１１２）を備える。いくつかの実施形態では、出口１２４は、液体を熱調整装置１００から半径方向外側に向けるように構成される。いくつかの実施形態では、出口１２４は、ホルダの上方でレーザ加工ヘッドと同軸に液体を向けるように構成され、液体は、レーザ加工ノズル１０４の周囲で空気へ排出される。いくつかの実施形態では、熱調整装置１００は、異なるノズル、たとえば同じもしくは異なるノズルモデルのいずれかについて互換性があり、またはそれらと共に使用可能である。

図２は、本発明の例示的実施形態による、動作中のレーザ加工ヘッド用の熱調整装置２００（たとえば、熱放散部品）の外観図である。図１と同様に、熱調整装置２００は、本体２０４、本体２０４に形成された入口２１２、および入口２１２の反対側で本体２０４に形成された出口２１６を備える。図示されるように、第１の導管２２０が入口２１２に流体接続され、熱調整装置２００の本体に液体を供給するように構成される。加えて、第２の導管２２４が出口２１６に流体接続され、本体２０４から液体を遠ざけるように向けるように構成される。動作中、第１の導管２２０は、熱調整装置２００に液体を供給する。熱調整装置２００の環状形状は、ノズル２２８の周りをたとえば２つの半円形に液体が流れるのを助ける。次いで、液体は出口２１６に向けられ、出口２１６は、加熱された液体を第２の導管２２４を通して排出する。この構成において、液体は、動作中にノズルホルダ２２８およびレーザ加工ヘッド２０４の外側に留まる。

図示されるように、この構成により、従来技術と比べてノズルホルダおよびレーザ加工ヘッド２０４から多大な複雑さが取り除かれ、多くの供給源を介して液体を供給することが可能になる。この構成では、熱調整装置２００は、レーザ加工ノズルの周りに迅速に設置され、チャンバおよびレーザ加工ノズルに形成された通路を介して、レーザ加工ノズルおよびワークピース（図示せず）に液体を直接供給することができる。この構成では、レーザ加工ノズルは、レーザ加工ヘッドに接続される（たとえば取り付けられる）。

図３は、本発明の別の例示的実施形態による、ノズルホルダ３０８内のレーザノズル３０４の周りに配置された熱調整装置３００（たとえば熱放散部品）の断面斜視図である。図１および図２と同様に、熱調整装置３００は、本体３１２を備え、本体３１２は、本体３１２に形成された第１のオリフィス（たとえば入口）３２０、および第２のオリフィス（たとえば出口）を画定する。断面により図３に示されていない出口は、熱調整装置３００の長手軸３１６の周りに入口３２０からある角度で配置され得る。図３の例のようないくつかの実施形態では、出口は、長手軸３１６の周りに入口３２０から約４５度から約１３５度（たとえば約９０度）の角度で配置され得る。いくつかの実施形態では、出口は、入口２１２の反対側に形成され得る。

他の実施形態と同様に、上述のように、第１の導管は入口３２０に流体接続され、熱調整装置３００の本体に液体を供給するように構成され得る。加えて、第２の導管は出口に流体接続され、本体３１２から液体を遠ざけるように向けるように構成され得る。動作中、第１の導管は、熱調整装置３００に液体を供給することができる。熱調整装置３００の環状形状は、たとえば部分的に円形の流路に沿って、ノズル３０４の周りを液体が流れるのを助ける。次いで、液体を出口に向けることができ、出口は、加熱された液体を第２の導管を通して排出する。この構成では、液体は、典型的には、動作中にノズルホルダ３０８の外側に留まる。

いくつかの実施形態では、ノズル３０４は、プラスチック絶縁体３１３内に配置された別個の異なる部品であり得る。ノズル３０４は、ノズルホルダ３０８内で実質的に中心にされ得る。加えて、いくつかの実施形態では、本体３１２は、デルリンなどの非導電材料によって形成できる絶縁部品であり得る。本体３１２はまた、ノズルを収容しまたはノズルと整合する嵌合面を含むことができる。図３に示されるような本明細書で論じられたいくつかの実施形態の利点は、本体３１２の軸アライメントが上部ナットではなくノズルホルダ３０８によって設定され得ることである。そのようなアライメント方法は、ノズルにおけるシール（たとえばＯリング）を通る冷却剤の漏れを低減または限定するのを助けることができる。

本発明は特定の好ましい実施形態を参照して具体的に示され説明されているが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、そこから様々な形態および細部の変更が行われ得ることは、当業者に理解されよう。

Claims (14)

1. レーザ加工ヘッド用の熱調整装置であって、
   本体であって、前記熱調整装置がレーザ加工ノズルに取り付けられたときに、前記レーザ加工ノズルに嵌合し、前記本体と前記レーザ加工ノズルの外面との間の液体流路の流体流境界を画定する形状にされた本体と、
   前記本体の第１の端部に形成され、且つ前記液体流路に液体を提供するように構成された入口であって、前記液体は、前記レーザ加工ノズルの外面の外側に留まる、入口と、
   前記第１の端部の反対側の前記本体の第２の端部に形成され、且つ前記液体流路から液体を排出するように構成された出口と、を備え、
   前記レーザ加工ヘッドの外部にあり、且つ前記レーザ加工ヘッドから分離可能である熱調整装置。
2. 前記液体はノズルホルダの外側に留まる、請求項１に記載の熱調整装置。
3. 前記出口は、液体を前記熱調整装置から半径方向外側に向けるように構成される、請求項１に記載の熱調整装置。
4. 前記出口は、前記レーザ加工ヘッドと同軸に液体を向けるように構成され、前記液体は、前記レーザ加工ノズルの周囲で空気へ排出される、請求項１に記載の熱調整装置。
5. 前記本体は、前記レーザ加工ノズルを実質的に円周状に囲む形状にされる、請求項１に記載の熱調整装置。
6. 前記入口に接続され、且つ前記本体に液体を供給するように構成された第１の導管と、前記出口に接続され、且つ前記本体から液体を遠ざけるように向けるように構成された第２の導管と、をさらに備える、請求項１に記載の熱調整装置。
7. 前記本体は、実質的に環状の形状を有する、請求項１に記載の熱調整装置。
8. 前記熱調整装置は、前記レーザ加工ノズルに組付け可能である、請求項１に記載の熱調整装置。
9. 前記熱調整装置は、前記レーザ加工ノズルの周りを自由に回転可能である、請求項１に記載の熱調整装置。
10. 前記熱調整装置は再使用可能である、請求項１に記載の熱調整装置。
11. 前記熱調整装置は、動作中に前記レーザ機械加工ヘッドを所定の位置に留まらせながら、ガス冷却モードと液冷モードとの間で切替え可能である、請求項１に記載の熱調整装置。
12. アルミニウムまたはプラスチック部品をさらに備える、請求項１に記載の熱調整装置。
13. レーザ加工ヘッド用の熱放散部品であって、
    長手軸を有する実質的に円筒形のコアであって、前記実質的に円筒形のコアは、前記長手軸の周りに配向された円周状内面を画定し、且つレーザ加工ノズルの外面を少なくとも部分的に取り囲む形状にされ、前記円周状内面および前記レーザ加工ノズルは、前記ノズルの第１の外側部分の周りに配置された第１の半円形液体流路と、前記ノズルの第２の外側部分の周りに配置された第２の半円形液体流路とを画定する、実質的に円筒形のコアと、
    前記コアに形成され、且つ２つの半円形液体流路に液体を提供する形状にされた入口であって、前記２つの半円形液体流路は、前記レーザ加工ヘッドの外側に液体を維持するように構成された、入口と、
    前記コアに形成され、且つ前記２つの半円形液体流路から液体を排出するように構成された出口と、
    前記入口に液体を供給するための、前記入口と流体連通した第１の導管と、
    前記出口から液体を排出するための、前記出口と流体連通した第２の導管と、を備える熱放散部品。
14. 前記２つの半円形液体流路は、トーチヘッドにおける流路に流体接続された、請求項１３に記載の熱放散部品。

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