JP2019025511A - レーザ切断方法及びレーザ切断用ノズル製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの厚さによらず、良好な切断加工を安定的かつ効率的に行えるレーザ切断用ノズルを提供する。
【解決手段】軸線(CL1)上に貫通孔(2)を有して一端側が縮径した管状を呈すると共に他端側の外周面に軸線(CL1)方向に延びる切り込み部(1a1〜1a3)を有するインナノズル(1)と、インナノズル(1)の外周面に嵌合し切り込み部(1a1)を含み両端間を軸線(CL1)方向に連通する通気路(GR)を形成するアウタノズル(11)と、を備える。通気路(GR)の最小流路断面積(Smin)が他端側の端面における切り込み部(1a1〜1a3)の開口面積(Sa1)と一致している。
【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ切断方法、並びに、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断用ノズル製造方法に係る。

レーザ切断加工に用いる加工ノズルとして、インナノズルとアウタノズルとを一体化した二重ノズルが知られており、一例が特許文献１に記載されている。

特許文献１に記載された加工ノズルは、インナノズルの先端位置がアウタノズルの先端位置よりも内部に引き込んだ位置にある。
そして、レーザ光は、インナノズルの先端の中心孔からアウタノズルの先端アシストガス噴出口を通ってノズル外に出射させる。
一方、アシストガスは、インナノズルの中心孔を通ったガスと、インナノズルとアウタノズルとの間に設けられたバイパス用切り欠きを通ったガスと、を合流させ、アシストガス噴出孔からノズル外に噴出させるようになっている。

特許第３７４９３５６号公報

特許文献１に記載されたような加工ノズルは、アシストガスを酸素とした炭酸ガスレーザによる切断加工に用いた場合、軟鋼板の切断においては板厚によらず良好に切断することができる。
一方、この加工ノズルを、近年急速に普及したファイバレーザによる切断加工に用いた場合、軟鋼板の比較的厚いワークにおいてベベル量が増加する傾向にあることが経験的に把握されている。
ここでベベル量は、切断後の、ノズル側（ワークの表面側）のカーフ幅に対するノズル反対側（ワークの裏面側）のカーフ幅の増分である。すなわち、ベベル量が増加すると、切断面の傾斜が光軸に対してより大きくなり、ノズル反対側の切断幅が広がることになる。

このベベル量の増加を、板厚に応じて抑制する方法は未だ確立してなく、最適条件設定を探りながら加工を行っているのが現状である。
そのため、ワークの板厚によらず、良好な切断加工を、安定的、かつ効率的に実行できる工夫が望まれていた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ワークの厚さによらず、良好な切断加工を安定的かつ効率的に行えるレーザ切断方法、並びに、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断用ノズル製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の手順、構成を有する。
１） レーザ光で軟鋼板を切断するレーザ切断方法であって、
前記レーザ光を出射するノズルとして、アシストガスをインナ流とアウタ流とに分流噴出する二重ノズルを用い、
前記インナ流の流量と前記アウタ流の流量との流量比を、切断する前記軟鋼板の板厚に応じて選択設定することを特徴とするレーザ切断方法である。
２） 前記インナ流を、前記ノズルの前記レーザ光を出射する出力孔から噴出させ、前記アウタ流を、前記出力孔を囲むように設けた開口部から前記インナ流とは独立して噴出させることを特徴とする１）に記載のレーザ切断方法である。
３） 前記流量比を、切断に供する複数の板厚それぞれに対応させて所定の判定基準で得ると共に、得た複数の前記流量比それぞれを有する複数のノズルを予め作成しておき、
次に切断する前記軟鋼板の前記板厚に対応した前記流量比を有する前記ノズルを、予め作成した前記複数のノズルから選択使用してレーザ切断を実行することを特徴とする１）又は２）に記載のレーザ切断方法である。
４） ベベル量が所定値以下であることを前記所定の判定基準にすることを特徴とする３）に記載のレーザ切断方法である。
５） 前記複数のノズルの前記流量比の違いを、前記ノズルそれぞれにおける前記アウタ流の流入開口部の面積又は数で判別可能としたことを特徴とする３）又は４）に記載のレーザ切断方法である。
６） 軸線上に貫通孔を有して一端側が縮径した管状を呈すると共に、他端側の外周面に前記軸線方向に延びる切り込み部を有するインナノズルと、
前記インナノズルの前記外周面に嵌合し、前記切り込み部を含み両端間を前記軸線方向に連通する通気路を形成するアウタノズルと、
を備え、
前記通気路の最小流路断面積が、前記他端側の端面における前記切り込み部の開口面積と一致していることを特徴とするレーザ切断用ノズルである。
７） インナノズルとアウタノズルとを組み合わせた二重ノズルのレーザ切断用ノズルを製造するレーザ切断用ノズル製造方法であって、
前記インナノズルを、軸線上に延びる貫通孔を有して一端側が縮径した管状にすると共に他端側の外周面に前記軸線方向に延びる切り込み部を設けて形成し、
前記アウタノズルを、前記インナノズルの前記外周面に嵌合させた状態で、前記切り込み部を含み両端間を前記軸線方向に連通する通気路を有するよう形成し、
前記通気路の最小流路断面積を前記切り込み部の流路断面積にすると共に、前記他端側の端面における、前記切り込み部の開口面積の大小又は前記切り込み部の数の大小を、前記最小流路断面積の大小に応じて決めることを特徴とするレーザ切断用ノズル製造方法である。

本発明によれば、軟鋼板のワークの厚さによらず、良好な切断加工を安定的かつ効率的に行える、という効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ切断用ノズルの実施例であるノズル５１を説明するための断面図である。 図２は、ノズル５１を構成するインナノズル１の断面図である。 図３は、インナノズル１の上面図である。 図４は、ノズル５１を構成するアウタノズル１１の断面図である。 図５は、図１におけるＳ１−Ｓ１位置での断面図である。 図６は、図１におけるＳ２−Ｓ２位置での断面図である。 図７は、図１におけるＳ３−Ｓ３位置での断面図である。 図８は、ノズル５１を加工ヘッド６１の筐体６２に取り付けた状態及びアシストガスの流れを説明するための断面図である。 図９は、流路断面積Ｓａとアウタ流ＦＬ２との関係を示すグラフである。 図１０は、板厚Ｔとベベル量が許容範囲となる流量比Ｑとの関係を示すグラフである。 図１１は、板厚Ｔと設定する流量比Ｑとの第１の対応づけを説明するためのグラフである。 図１２は、板厚Ｔ１１〜Ｔ１５と流量比Ｑ１１〜Ｑ１５とノズル５１１〜５１５との対応づけを説明するための表である。 図１３は、板厚Ｔと設定する流量比Ｑとの第２の対応づけを説明するためのグラフである。 図１４は、板厚Ｔ２１〜Ｔ２５と流量比Ｑ２１〜Ｑ２５とノズル５２１，５２２との対応づけを説明するための表である。 図１５は、ノズル１の基部１ａの変形例を説明する図であり、（ａ）は基部１ａＡを、（ｂ）は基部１ａＢを説明する図である。

本発明の実施の形態に係るレーザ切断用ノズルを、実施例のノズル５１により説明する。ノズル５１は、ファイバレーザ加工機における周知構造の加工ヘッドに着脱自在に装着される。

まず、ノズル５１の構成について、図１〜図４を参照して説明する。以下の説明において、上下方向を、便宜的に使用姿勢における方向として図中矢印の方向に規定する。
ノズル５１は、図１に示されるように、インナノズル１とアウタノズル１１との組み合わせとして構成されている。まず、それぞれを詳述する。

（インナノズル１：図１〜図３を参照）
図２はインナノズルの縦断面図であり、図３は上面図である。図２は、図３におけるＳ−Ｓ位置での断面図である。

インナノズル１は、軸線ＣＬ１を中心軸とする管状に形成されている。
インナノズル１は、外径Ｄ１で上下方向に延びる基部１ａと、基部１ａの下部に連結された外径Ｄ１よりも小さい外径Ｄ２の中間部１ｂと、中間部１ｂの下部に接続し下方に向かうに従って傾斜角度θａで縮径して先端が外径Ｄ３となる縮径部１ｃと、を有する。傾斜角度θａは、図２において縮径部１ｃと軸線ＣＬ１とがなす劣角である。

基部１ａには、周方向に角度ピッチＰｔ１にて切り込み部として形成された複数のＤカット部１ａ１〜１ａ３が形成されている。この例において角度ピッチＰｔ１は１２０°であって３つのＤカット部１ａ１〜１ａ３が形成されている。
Ｄカット部１ａ１〜１ａ３は、軸線ＣＬ１に平行で上下方向に延び、軸線ＣＬ１に対し距離Ｌ１の平行平面として形成されている。ここで、Ｄカット部１ａ１〜１ａ３の最大切り込み量を距離Ｌ２とする。
すなわち、距離Ｌ２＝（外径Ｄ１／２）−距離Ｌ１である。

基部１ａのＤカット部１ａ１〜１ａ３が形成されていない部分の下端の周縁部には、下方に円弧状に突出した３つの突き当て部１ａ５が形成されている（図３において破線で図示）。
インナノズル１の製造工程に基づいて換言するならば、突き当て部１ａ５は、Ｄカット部１ａ１〜１ａ３を形成する前に環状で下方に突出した部分が、Ｄカット部１ａ１〜１ａ３の形成によってその部分が除去され円弧状に残存したものである。

インナノズル１は、貫通孔２を有する。貫通孔２は、インナノズル１の上端面３に開口し、下方へ向かうに従って縮径する内縮径部２ａと、内縮径部２ａの下部に接続し同一内径で下端面４に開口する出力孔２ｂと、を有する。

（アウタノズル１１：図１及び図４参照）
アウタノズル１１は、軸線ＣＬ１１を中心軸とする管状に形成されている。
アウタノズル１１は、雄ねじ部１１ａ１を有する基部１１ａと、軸線ＣＬ１１に対し直交する当て面１１ｂ１を有して径方向外側に張り出したフランジ部１１ｂと、フランジ部１１ｂの下面側に接続し、下方先端に向かうに従って、軸線１１ａ側に凹む曲面で縮径する縮径部１１ｃと、を有する。

アウタノズル１１は、上端面１５と下端面１６とを繋ぐ貫通孔１２を有する。
貫通孔１２は、内径Ｄ４で上下方向に延びる基孔部１２ａと、基孔部１２ａの下端に、軸線ＣＬ１１に直交する突き当て面１３ａを有する上段部１３を形成して内径Ｄ４より小さい内径Ｄ５で下方に延びる中間孔部１２ｂと、中間孔部１２ｂの下端に軸線ＣＬ１１に直交する段付き面１４ａを有する下段部１４を形成して下方に向かうに従って縮径し、アウタノズル１１の下端面１６に開口する縮径孔部１２ｃと、を有する。縮径孔部１２ｃは、インナノズル１の縮径部１ｃと同じ傾斜角度θａで傾斜している。

内径Ｄ４と内径Ｄ５との径差は、例えば０．４ｍｍとされる。従って、突き当て面１３ａの径方向幅は０．２ｍｍである。
一方、Ｄカット部１ａ１〜１ａ３の切り込み量である距離Ｌ２（図３）は、０．６ｍｍとされる。
アウタノズル１１の内径Ｄ４は、インナノズル１の基部１ａの外径Ｄ１に対し最適な圧入しろを有するように設定されている。

ノズル５１の組み立てにおいて、インナノズル１とアウタノズル１１とは、アウタノズル１１の貫通孔１２に対し上方からインナノズル１を強嵌合させることで一体化される。
詳しくは、インナノズル１の基部１ａをアウタノズル１１の貫通孔１２の基孔部１２ａに圧入する。

アウタノズル１１に対するインナノズル１の軸方向位置は、インナノズル１の突き当て部１ａ５が、アウタノズル１１の突き当て面１３ａに当接することで位置決めされる。
この位置決め済みの状態で、ノズル５１は、インナノズル１の上端面３及び下端面４と、アウタノズル１１の上端面１５及び下端面１６のそれぞれとが、ほぼ同じ面（同じ軸方向位置）となっている。

図１に示されるように、ノズル５１は、インナノズル１の貫通孔２とは別に独立して、インナノズル１とアウタノズル１１との間に、軸線方向（上下方向）の両端面間を連通して気体流通を可能とする通気路ＧＲを有する。
具体的には、通気路ＧＲは、上方側から、上部通気路ＧＲａ，中間通気路ＧＲｂ，及び下部通気路ＧＲｃの概ね３つの部分を有する。

この３つの部分について、図５〜図７を参照して説明する。図５〜図７は、それぞれ図１におけるＳ１−Ｓ１位置〜Ｓ３−Ｓ３位置での断面図である。ここでＳ３−Ｓ３位置の図７は、下部通気路ＧＲｃの傾斜した延在方向に直交する方向での断面図である。

まず、上部通気路ＧＲａは、図５に示されるように、インナノズル１のＤカット部１ａ１〜１ａ３と、アウタノズル１１の基部１１ａとの間の上下に延びる隙間（網点部分）として形成される。この例で３つとなる各隙間の断面積（円弧と弦とに囲まれた弓形の断面積）の合計を、流路断面積Ｓａとする。

中間通気路ＧＲｂは、図６に示されるように、３つの上部通気路ＧＲａが下部で接続し１つの環状空間として形成されている。
詳しくは、中間通気路ＧＲｂは、インナノズル１の中間部１ｂの外周面１ｂ１とアウタノズル１１の中間孔部１２ｂの内周面１２ｂ１との間の上下に延びる隙間（環状の網点部分）として形成される。この環状の隙間の断面積を、流路断面積Ｓｂとする。

下部通気路ＧＲｃは、図７に示されるように、インナノズル１の縮径部１ｃの外周面１ｃ１とアウタノズル１１の縮径部１１ｃの内周面１１ｃ１との間に上下で径拡縮する隙間（環状の網点部分）として形成される。下部通気路ＧＲｃは、ノズル５１の下端面において、貫通孔２の出力孔２ｂを囲む開口部ＧＲｃ１として開口している。この例において、開口部ＧＲｃ１は環状であり、開口部ＧＲｃ１の面積を開口面積Ｓｃとする。

ノズル５１は、上部通気路ＧＲａの流路断面積Ｓａが、流路断面積Ｓｂ及び開口面積Ｓｃよりも小さく設定されている。
より詳しくは、上部通気路ＧＲａの流路断面積Ｓａは、そのノズル５１の上端面１５の流入開口部ＧＲａ１（図１参照）における開口面積Ｓａ１と等しく、通気路ＧＲにおける上部通気路ＧＲａよりも下方のいずれの位置の断面積よりも小さく設定されている。

これにより、通気路ＧＲの流路断面積は、上部通気路ＧＲａにおいて最も狭い最小流路断面積Ｓｍｉｎとなり、通気路ＧＲに気体を流した場合の流量は、上部通気路ＧＲａによって規制される。
従って、通気路ＧＲの断面積が異なるノズル５１を製造した場合、通気路ＧＲに流せる流量の多少は、ノズル５１を上方から見たときの流入開口部ＧＲａ１の開口面積Ｓａ１の違いで判別可能である。

図８は、上述のノズル５１を、加工ヘッド６１に取り付けた状態の一例を示す縦断面図である。ノズル５１は、加工ヘッド６１の筐体６２の先端に着脱自在に螺着される。ノズル５１が筐体６２に螺着した状態で、軸線ＣＬ１は集光レンズ６３の光軸ＣＬ６３と一致している。
ノズル５１に対し、ファイバレーザ発振器（不図示）から供給されたレーザ光ＬＳが、集光レンズ６３により集光されてノズル５１の貫通孔２を通して下方に出射される。

筐体６２には、ガス供給口６４が設けられており、外部からアシストガス（酸素など）が、ガス供給口６４を通して筐体６２の内部空間Ｖａに供給される。
内部空間Ｖａに供給されたアシストガスは、インナ流ＦＬ１とアウタ流ＦＬ２とに分流して外部に噴出する。すなわち、供給されたアシストガスの一部がインナ流ＦＬ１として貫通孔２の出力孔２ｂを通して下方に噴出すると共に、残りはアウタ流ＦＬ２として上部通気路ＧＲａに流入開口部ＧＲａ１から進入し、中間通気路ＧＲｂを通って下部通気路ＧＲｃの開口部ＧＲｃ１からインナ流ＦＬ１を環状に取り囲むように独立して下方に噴出される。

ここでインナ流ＦＬ１及びアウタ流ＦＬ２の流量を、それぞれＱ１（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｑ２（Ｌ／ｍｉｎ）とする。インナ流ＦＬ１及びアウタ流ＦＬ２の圧力は、図８に示された共通の内部空間Ｖａからの分岐であり、等しくなる。

発明者らは、アウタ流ＦＬ２とインナ流ＦＬ１との流量比Ｑ（＝Ｑ２／Ｑ１）に着目し、流量比Ｑとベベル量との関係を実験により調べた。
具体的には、ノズル５１の貫通孔２の形状を流路断面積が同じになるものとし、上部通気路ＧＲａの流路断面積Ｓａを、例えば、切り込み量である距離Ｌ２を変えるなどして異ならせ、アウタ流ＦＬ２とインナ流ＦＬ１との流量比Ｑ（＝Ｑ２／Ｑ１）の異なる複数種のノズル５１を作成した。
そして、流路断面積Ｓａと流量比Ｑとの関係、及びそれぞれのノズルを用いて、軟鋼板の異なる板厚のワークの切断加工を行い、得られた切断面のベベル量を調べた。軟鋼板としてＳＳ４００の板を用いた。

その結果、まず、図９に示されるように、上部通気路ＧＲａの流路断面積Ｓａが極端に小さくない実用領域において、流路断面積Ｓａとアウタ流ＦＬ２の流量Ｑ２とは、概ね正の相関で線形関係にあることがわかった。
また、板厚の異なる各ワークの切断加工においてベベル量が許容範囲となる流量比Ｑを抽出したところ、図１０に示される結果を得た。ここで、ベベル量の許容範囲を、０．１５ｍｍ以下と設定している。
図１０は、軟鋼板のワークの板厚Ｔ（横軸）と、切断面のベベル量が許容範囲となった流量比Ｑ（縦軸）の範囲との関係を示している。
以下、１２ｍｍの板厚を板厚Ｔ１とし、２５ｍｍの板厚を板厚Ｔ２として説明する。板厚Ｔ１〜Ｔ２は、ファイバレーザ切断加工に供される軟鋼板の一般的な板厚範囲である。

図１０に示される結果について、具体的に説明する。
流量比下限特性Ｑａは、板厚Ｔ１からＴ２までの、ベベル量が許容範囲となる流量比Ｑの下限値を示している。
流量比上限特性Ｑｂは、板厚Ｔ１からＴ２までの、ベベル量が許容範囲となる流量比Ｑの上限値を示している。
流量比中央特性Ｑｃは、板厚Ｔ１からＴ２までの、流量比上限特性Ｑｂと流量比下限特性Ｑａとの中央値を示している。
板厚１６ｍｍ、１９ｍｍ、２２ｍｍに対応したプロットは、図１０に示される特性を得るべく測定した複数の実測データの一部として記載してある。
各プロットの具体的なデータは次の通りである。
板厚１６ｍｍ ： インナ流ＦＬ１の流量Ｑ１＝１９．６（Ｌ／ｍｉｎ）
アウタ流ＦＬ２の流量Ｑ２＝２０．０（Ｌ／ｍｉｎ）
流量比Ｑ＝１．０２
ベベル量：０．０７ｍｍ
板厚１９ｍｍ ： インナ流ＦＬ１の流量Ｑ１＝２２．１（Ｌ／ｍｉｎ）
アウタ流ＦＬ２の流量Ｑ２＝２７．７（Ｌ／ｍｉｎ）
流量比Ｑ＝１．２５
ベベル量：０．０８ｍｍ
板厚２２ｍｍ ： インナ流ＦＬ１の流量Ｑ１＝２４．９（Ｌ／ｍｉｎ）
アウタ流ＦＬ２の流量Ｑ２＝３１．７（Ｌ／ｍｉｎ）
流量比Ｑ＝１．２７
ベベル量：０．０９ｍｍ
ここで、任意の板厚Ｔｋ（Ｔ１≦Ｔｋ≦Ｔ２）における流量比上限特性Ｑｂと流量比下限特性Ｑａと間の範囲を、適正流量比範囲ΔＱｋとする。

図１０に示される結果から、次のことが判明した。
板厚Ｔ１から板厚Ｔ２の範囲で、ノズル５１を用いた切断加工でベベル量が許容範囲となる流量比Ｑの範囲（適正流量比範囲ΔＱｋ）が存在する。
適正流量比範囲ΔＱｋは、板厚Ｔ１から板厚Ｔ２の範囲で概ね一定となっている。
流量比中央特性Ｑｃは、板厚Ｔ１〜Ｔ２の範囲において、板厚Ｔが増加するほど増加する傾向にある。
すなわち、板厚Ｔ１〜Ｔ２の範囲内において、薄厚いずれか一方（例えば薄い板厚）の板厚のワークの切断加工で適切なベベル量が得られる流量比Ｑで、他方（厚い板厚）の板厚のワークの切断加工を行った場合に、必ずしも適正なベベル量が得らないことを示している。これは、従来の二重ノズルを用いたファイバレーザ切断加工において、板厚が厚い場合にベベル量が増加して好ましい切断面が得られない傾向を、裏付けるものと言える。

図１０からは直接得られないが、付随結果として、流量比中央特性Ｑｃは、加工後の切断面の品質が、適正流量比範囲ΔＱｋの中で最も好ましくなる流量比であることが判明した。

この結果から、軟鋼板であるワークのファイバレーザでの切断加工を、加工するワークの板厚Ｔに適した流量比Ｑを有するノズル５１を用いて実行することで、ベベル量が抑制された良好な切断品質が得られることが判明した。
そこで、ノズル５１を用いたファイバレーザでの切断加工は、例えば、次の方法で行うとよく、図１１及び図１２を参照して説明する。

（Ｓ１）予め、ＪＩＳなどで定められる標準板厚毎に、試加工によって流量比下限特性Ｑａ及び流量比上限特性Ｑｂを求めて適正流量比範囲ΔＱｋを把握しておく。ここでは、流量比下限特性Ｑａ及び流量比上限特性Ｑｂが図１１に示される特性として得られたものとする。
（Ｓ２）ワークの標準板厚のうちの板厚Ｔ１１〜Ｔ１５それぞれに対応した適正流量比範囲ΔＱｋ内の流量比を有するノズル５１１〜５１５を作成する。
ここでは、図１２に示されるように、ノズル５１１〜５１５を、板厚Ｔ１１〜Ｔ１５それぞれに対応した流量比中央特性Ｑｃである流量比Ｑ１１〜Ｑ１５を有するものとして作成する。
（Ｓ３）加工ヘッド６１に、次に加工するワークの板厚Ｔ１１〜Ｔ１５それぞれに応じたノズル５１１〜５１５を選択装着し、本加工を行う。例えば、板厚Ｔ１３のワークを切断加工する場合、ノズル５１３を選択して装着し、本加工を行う。

ノズル５１の作成にあたり、板厚Ｔに対応して設定する流量比Ｑとして、流量比中央特性Ｑｃの値を採用することは、良好な切断面品質を得る観点で望ましい。ただし、採用する流量比Ｑの値は、これに限らず、適正流量比範囲ΔＱｋで得られる適正流量比領域ＡＲＲ（図１１の点Ｐ１〜Ｐ４で囲まれたハッチング領域）内の、各板厚Ｔに対応した値であればよい。

そこで、加工するワークの板厚毎に異なるノズル５１を用意する替わりに、適正流量比領域ＡＲＲに含まれる中で隣接する板厚を、できるだけ同じノズル５１で対応づけるようにしてもよい。
この方法について図１３及び図１４を参照して説明する。

図１３の流量比下限特性Ｑａ及び流量比上限特性Ｑｂは、板厚Ｔ２１〜Ｔ２５の範囲で便宜的に図１１と同じとする。
図１３及び図１４に示されるように、板厚Ｔ２１〜Ｔ２３については、そのすべてにおいて適正流量比領域ＡＲＲに含まれる流量比Ｑ２１を設定する。そして、流量比Ｑ２１となるノズル５２１を作成し、図１４のように板厚と対応づける。

一方、板厚Ｔ２４，Ｔ２５については、流量比Ｑ２１は適正流量比領域ＡＲＲから外れている。そこで、板厚Ｔ２４，Ｔ２５両方について適正流量比領域ＡＲＲ内となる、流量比Ｑ２１とは異なる流量比Ｑ２２を設定し、流量比Ｑ２２となるノズル５２２を作成し、板厚と対応づける。

この方法によれば、流量比中央特性Ｑｃの値が異なる板厚毎に必ずしもノズルを作成する必要がない。そのため、製造及びノズル管理の観点でコスト低減可能であり、ノズル交換時間が短縮でき生産効率低下を抑制できる。

流量比Ｑの異なるノズル、例えば図１２に示されたノズル５１１〜５１５は、アウタノズル１１に対するインナノズル１の軸方向の位置決め構造が次のようになっている。
すなわち、インナノズル１の突き当て部１ａ５が突き当てられるアウタノズル１１の突き当て部１ａ５の径方向幅が、Ｄカット部１ａ１〜１ａ３の最大切り込み距離Ｌ２に対して十分小さく設定され、突き当て部１ａ５が最小絞りとならないようになっている。

このように、通気路ＧＲにおける最小絞りの、すなわち最小流路断面積Ｓｍｉｎとなる部位は、上部通気路ＧＲａに設定されている。
流量比Ｑの違いが、上端面３と上端面１５との間の開口面積Ｓａ１の違いとして反映される。すなわち、ノズル５１１〜５１５の判別が外観上で可能となっている。
これにより、ノズル５１１〜５１５は、加工ヘッド６１の筐体６２に誤装着する可能性が低減し、ワークの板厚Ｔに応じた最適な切断加工をより確実に実行できる。

既述のように、ノズル５１は、インナノズル１の下端面４と、アウタノズル１１の下端面１６とが、ほぼ同じ高さ位置（軸方向位置）にある。
これにより、インナ流ＦＬ１とアウタ流ＦＬ２とが混合して噴出することはなく、それぞれ独立した気流としてワークに噴射される。
そのため、流量比Ｑは切断態様に直接影響を与えるものとなり、ベベル量を制御するパラメータとして有効になっている。
もちろん、インナノズル１の下端面４とアウタノズル１１の下端面１６との高さが異なって段差が生じていたとしても、インナ流ＦＬ１とアウタ流ＦＬ２とが独立気流としてワークに噴出されていれば、流量比Ｑはベベル量を制御するパラメータとして有効である。また、下端面４，１６の高さ方向の段差の程度（高さ方向の位置の差）が大きくなってインナ流ＦＬ１及びアウタ流ＦＬ２の独立程度が低下しても、ある程度の独立性が確保されていれば、流量比Ｑのベベル量制御効果は、程度が小さくとも発揮されることは言うまでもない。

上述のように、板厚の比較的大きな領域において、流量比Ｑを高くすることでベベル量の増加を抑制できる理由は、次のように推察される。
すなわち、流量比Ｑを高めるということは、インナ流ＦＬ１に対し、軸線ＣＬ１に収束する傾斜環流として噴出するアウタ流ＦＬ２の流量比率を高めることになり、ワークの下部（ノズルとは反対側）において、アシストガス全体の流束拡張が抑制されて酸素の供給過剰を回避できているため、と考えられる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。

インナノズル１の基部１ａを、上部通気路ＧＲａを形成する切り込み部として３つのＤカット部１ａ１〜１ａ３を有するものとして説明したが、切り込み部の数Ｎは３に限定されない。
例えば、図１５（ａ）に示されるように、基部１ａを、切り込み部として４つのＤカット部１ａＡ１〜１ａＡ４を有する基部１ａＡとしてもよい。 また、断面形状はＤカット態様でなくてもよい。例えば、図１５（ｂ）に示されるように、基部１ａを、上下方向に、例えば矩形断面で延びる切り込み部としての溝部１ａＢ１〜１ａＢ４を有する基部１ａＢとしてもよい。
図１５（ａ），（ｂ）では、切り込み部により形成された通気路ＧＲａに対応する部分に、網点を付してある。

図１２及び図１４で示された複数のノズルの流量比Ｑの違いを、上部通気路ＧＲａを形成する切り込み部の数Ｎに対応させてもよい。
流量比Ｑの異なるノズルを、開口面積Ｓａ１の違いではなく、切り込み部の数Ｎ、換言するならば、流入開口部ＧＲａ１の数Ｎで分別できるので、分別作業を、高効率かつ少ない判別エラーで行える。

流量比Ｑの異なるノズルを作成する場合、インナノズル１の貫通孔２の内径寸法を共通にする例を説明したが、貫通孔２の内径寸法を異ならせてもよい。
貫通孔２の内径寸法を異なるものとする場合は、上部通気路ＧＲａの開口面積Ｓａ１の違いが直接流量比Ｑの違いに対応しないことから、切り込み部の数Ｎと流量比Ｑとを対応させることが望ましい。

流量比下限特性Ｑａ及び流量比上限特性Ｑｂを、ベベル量が所定値以下となる、という基準で判定する例を説明したが、ベベル量のみならず、ベベル量を含む切断面の品質全体が流量比Ｑに依存している。そこで、流量比下限特性Ｑａ及び流量比上限特性Ｑｂは、ベベル量以外の項目、例えば、表面粗さの大小や付着物の量、などに基づいて判定してもよい。もちろん、切断面のトータル品質の良否で判定してもよい。

通気路ＧＲの流路断面積は、下部通気路ＧＲｃの開口部ＧＲｃ１における開口
面積Ｓｃを最小流路断面積Ｓｍｉｎとしてもよい。この場合、通気路ＧＲに気体を流した場合の流量は、開口部ＧＲｃ１によって規制される。
換言するならば、下部通気路ＧＲｃにおける開口部ＧＲｃ１の開口面積Ｓｃを、上部通気路ＧＲａの流路断面積Ｓａよりも小さく、かつ、中間通気路ＧＲｂの流路断面積Ｓｂよりも小さく設定する。
この場合、最小流路断面積Ｓｍｉｎが異なるノズル５１を製造した場合、通気路ＧＲに流せる流量の多少は、ノズル５１を下方から見たときの開口部ＧＲｃ１の開口面積Ｓｃの違いで判別可能となる。

１ インナノズル
１ａ，１ａＡ，１ａＢ 基部
１ａ１〜１ａ３，１ａＡ１〜１ａＡ４ Ｄカット部（切り込み部）
１ａＢａ〜１ａＢ４ 溝部（切り込み部）、 １ａ５ 突き当て部
１ｂ 中間部、 １ｂ１ 外周面、 １ｃ 縮径部、 １ｃ１ 外周面
２ 貫通孔、 ２ａ 内縮径部、 ２ｂ 出力孔
３ 上端面
４ 下端面
１１ アウタノズル
１１ａ 基部、 １１ａ１ 雄ねじ部、 １１ｂ フランジ部
１１ｂ１ 当て面、 １１ｃ 縮径部、 １１ｃ１ 内周面
１２ 貫通孔
１２ａ 基孔部、 １２ｂ 中間孔部、 １２ｂ１ 内周面
１２ｃ 縮径孔部
１３ 上段部、 １３ａ 突き当て面
１４ 下段部、 １４ａ 段付き面
１５ 上端面
１６ 下端面
５１，５１１〜５１５，５２１，５２２ ノズル
６１ 加工ヘッド
６２ 筐体
６３ 集光レンズ
６４ ガス供給口
ＡＲＲ 適正流量比領域
ＣＬ１，ＣＬ１１ 軸線、 ＣＬ６３ 光軸
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 外径、 Ｄ４，Ｄ５ 内径
ＦＬ１ インナ流、 ＦＬ２ アウタ流
ＧＲ 通気路
ＧＲａ 上部通気路、 ＧＲａ１ 流入開口部、 ＧＲｂ 中間通気路
ＧＲｃ 下部通気路、 ＧＲｃ１ 開口部
ＬＳ レーザ光、 Ｌ１，Ｌ２ 距離
Ｎ （切り込み部の）数
Ｐｔ１ 角度ピッチ
Ｐ１〜Ｐ４ 点
Ｑ，Ｑ１１〜Ｑ１５，Ｑ２１，Ｑ２２ 流量比
Ｑａ 流量比下限特性、 Ｑｂ 流量比上限特性、 Ｑｃ 流量比中央特性
Ｑ１，Ｑ２ 流量
Ｓａ，Ｓｂ 流路断面積
Ｓａ１ 開口面積、 Ｓｃ 開口面積、 Ｓｍｉｎ 最小流路断面積
Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ１１〜Ｔ１５，Ｔ２１〜Ｔ２５ 板厚
Ｖａ 内部空間
θａ 傾斜角度
ΔＱｋ 適正流量比範囲

本発明は、レーザ切断方法及びレーザ切断用ノズル製造方法に係る。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ワークの厚さによらず、良好な切断加工を安定的かつ効率的に行えるレーザ切断方法及びレーザ切断用ノズル製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の手順を有する。
１） レーザ光で軟鋼板を切断するレーザ切断方法であって、
前記レーザ光を出射するノズルとして、アシストガスをインナ流とアウタ流とに分流噴出する二重ノズルを用い、
前記二重ノズルにおいて、前記インナ流を、前記ノズルの前記レーザ光を出射する出力孔から噴出させ、前記アウタ流を、前記出力孔を囲み、かつ前記出力孔と同じ軸方向位置に設けた開口部から前記インナ流とは独立して噴出させるようにし、
前記インナ流の流量と前記アウタ流の流量との流量比を、切断に供する複数の板厚それぞれに対応させて、ベベル量が所定値以下になることを判定基準として得ると共に、得た複数の前記流量比それぞれを有する複数のノズルを予め作成しておき、
次に切断する前記軟鋼板の前記板厚に対応した前記流量比を有する前記ノズルを、予め作成した前記複数のノズルから選択使用してレーザ切断を実行することを特徴とするレーザ切断方法である。
２） インナノズルとアウタノズルとを組み合わせた二重ノズルのレーザ切断用ノズルを製造するレーザ切断用ノズル製造方法であって、
前記インナノズルを、軸線上に延びる貫通孔を有して一端側が縮径した管状にすると共に他端側の外周面に前記軸線方向に延びる切り込み部を設けて形成し、
前記アウタノズルを、前記インナノズルの前記外周面に嵌合させた状態で、前記切り込み部を含み両端間を前記軸線方向に連通する通気路を有するよう形成し、
前記通気路の最小流路断面積を前記切り込み部の流路断面積にすると共に、前記他端側の端面における、前記切り込み部の開口面積の大小又は前記切り込み部の数の大小を、予め切断に供する軟鋼板の複数の板厚それぞれに対応してベベル量が所定値以下になるという判定基準で得た流量比に基づく前記最小流路断面積の大小に応じて決めることを特徴とするレーザ切断用ノズル製造方法である。

Claims (7)

1. レーザ光で軟鋼板を切断するレーザ切断方法であって、
   前記レーザ光を出射するノズルとして、アシストガスをインナ流とアウタ流とに分流噴出する二重ノズルを用い、
   前記インナ流の流量と前記アウタ流の流量との流量比を、切断する前記軟鋼板の板厚に応じて選択設定することを特徴とするレーザ切断方法。
2. 前記インナ流を、前記ノズルの前記レーザ光を出射する出力孔から噴出させ、前記アウタ流を、前記出力孔を囲むように設けた開口部から前記インナ流とは独立して噴出させることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
3. 前記流量比を、切断に供する複数の板厚それぞれに対応させて所定の判定基準で得ると共に、得た複数の前記流量比それぞれを有する複数のノズルを予め作成しておき、
   次に切断する前記軟鋼板の前記板厚に対応した前記流量比を有する前記ノズルを、予め作成した前記複数のノズルから選択使用してレーザ切断を実行することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザ切断方法。
4. ベベル量が所定値以下であることを前記所定の判定基準にすることを特徴とする請求項３記載のレーザ切断方法。
5. 前記複数のノズルの前記流量比の違いを、前記ノズルそれぞれにおける前記アウタ流の流入開口部の面積又は数で判別可能としたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載のレーザ切断方法。
6. 軸線上に貫通孔を有して一端側が縮径した管状を呈すると共に、他端側の外周面に前記軸線方向に延びる切り込み部を有するインナノズルと、
   前記インナノズルの前記外周面に嵌合し、前記切り込み部を含み両端間を前記軸線方向に連通する通気路を形成するアウタノズルと、
   を備え、
   前記通気路の最小流路断面積が、前記他端側の端面における前記切り込み部の開口面積と一致していることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
7. インナノズルとアウタノズルとを組み合わせた二重ノズルのレーザ切断用ノズルを製造するレーザ切断用ノズル製造方法であって、
   前記インナノズルを、軸線上に延びる貫通孔を有して一端側が縮径した管状にすると共に他端側の外周面に前記軸線方向に延びる切り込み部を設けて形成し、
   前記アウタノズルを、前記インナノズルの前記外周面に嵌合させた状態で、前記切り込み部を含み両端間を前記軸線方向に連通する通気路を有するよう形成し、
   前記通気路の最小流路断面積を前記切り込み部の流路断面積にすると共に、前記他端側の端面における、前記切り込み部の開口面積の大小又は前記切り込み部の数の大小を、前記最小流路断面積の大小に応じて決めることを特徴とするレーザ切断用ノズル製造方法。

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