JP2019093438A - レーザノズル - Google Patents

Abstract

【課題】レーザノズルと被切断材との距離が変動してもシールドガスの通路に大きな圧力変動を生じることのないレーザノズルを提供する。【解決手段】レーザヘッドＢに取り付けられて被切断材Ｃに向けてレーザ光を照射するレーザノズルであって、レーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射する円筒状の噴射孔４を有するインナーノズル１と、インナーノズルの外周に配置され該インナーノズルから照射されたレーザ光及び噴射されたアシストガスの周囲に添わせてリング状にシールドガスを噴射する噴射口３ａを有するアウターノズル２と、を有し、アウターノズルの噴射口の近傍に内壁面２ｃ１から外壁面２ｃ２に貫通した大気との連通孔６が形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し、このアシストガスの周囲にリング状にシールドガスを噴射するレーザノズルに関するものである。

金属からなる被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し、更に、アシストガスの周囲にシールドガスを噴射して切断するようにしたレーザノズルを用いたレーザ切断方法及びレーザ切断装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載された発明は、レーザ切断を実施する際に発生する虞のあるセルフバーニングを防ぐことを目的としたものである。特に、切断用のレーザビームを照射した部位とその近傍にリング状にガスを噴射しつつ切断する際に、レーザビームに沿って噴射される酸素の濃度と、この酸素の外周に噴射される酸素の濃度を変化させることで、切断部位の周囲の酸素濃度分布を調整するものである。

特開平１１−１０３８２号公報

レーザ切断ではレーザノズルと被切断材との距離（ノズル高さ）が、例えばガス切断やプラズマ切断の場合と比較して極めて近い。一方、被切断材には切断に伴って歪が生じたり、表面に異物が付着したりして、表面が必ずしも水平面であることの保証はない。このため、切断中は常に被切断材の表面に対しレーザノズルの高さが一定になるように制御している。

即ち、レーザノズルと被切断材の表面との距離は常に変動しているのである。このように、レーザノズルと被切断材の表面との距離が変動するのに伴って該レーザノズルの内圧が変動し、レーザ光の最も外周に噴射しているガス（シールドガス）の流量も変動してしまい、切断面の品質に悪影響を及ぼす虞がある。

特に、被切断材に対して良好なレーザ切断を行っている場合、一部のシールドガスは被切断材の裏面側まで通過しており、レーザノズルに於けるシールドガス噴出部の内圧は低くなる。しかし、レーザ切断を行っている間に、何らかの事情によってシールドガスが被切断材の裏面側まで通過しなくなった場合にシールドガス噴出部の内圧が上昇し、切断部位に生じている溶融物を噴き上げてしまい、切断面の品質に悪影響を及ぼすことになる。

本発明の目的は、レーザノズルと被切断材との距離が変動してもシールドガスの通路に大きな圧力変動を生じることのないレーザノズルを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る代表的なレーザノズルは、レーザヘッドに取り付けられて被切断材に向けてレーザ光を照射するレーザノズルであって、レーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射する円筒状の噴射孔を有するインナーノズルと、前記インナーノズルの外周に配置され該インナーノズルから照射されたレーザ光及び噴射されたアシストガスの周囲に添わせてリング状にシールドガスを噴射する噴射口を有するアウターノズルと、を有し、前記アウターノズルの噴射口の近傍に内壁面から外壁面に貫通した大気との連通孔が形成されているものである。

本発明に係るレーザノズルでは、被切断材に向けてインナーノズルからレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し、このアシストガスの周囲にアウターノズルから噴射したシールドガスを添わせることができる。

特に、被切断材に対して正常な切断が行われているとき、シールドガスの噴射によりアウターノズルに形成された連通孔に作用する吸引効果によって大気が吸引されてシールドガスの一部を構成することができる。従って、シールドガスを噴射している状態で、レーザノズルと被切断材との距離が変動してシールドガスの通路の内圧が変動したとき、この変動に応じて連通孔からの大気の吸引、或いは連通孔からのシールドガスの噴出を行うことができる。

このため、レーザノズルと被切断材との距離が変動してもシールドガスの通路に大きな圧力の変動がなく、安定した流量のシールドガスを供給することができる。

特に、被切断材に対する切断中に何らかの事情でシールドガスが被切断材の裏面側まで通過しなくなった場合、シールドガスの通路の内圧が上昇する。このとき、シールドガスは連通孔を介して大気に噴出し、シールドガスの通路の圧力上昇を防ぐことができる。そして、このとき、被切断材からスパッタが噴き上げられていても、連通孔から噴出するシールドガスによって吹き飛ばすことができ、アウターノズルの外周面に対する付着を防ぐことができる。

本実施例に係るレーザノズルの構成を説明する図である。 インナーノズルとアウターノズルの構成を説明する図である。 本実施例に係るレーザノズルをレーザヘッドに取り付けた状態を説明する図である。 切断中に何等かの事情でシールドガスが被切断材の裏面側まで通過しなくなった場合のアウターノズルから噴射するシールドガスを説明する図である。

以下、本実施例に係るレーザノズルの構成について図を用いて説明する。レーザノズルＡは、図３に示すように、レーザヘッドＢに取り付けられ、図示しないレーザ発振器から発振されたレーザ光を被切断材に向けて照射すると共にアシストガスを噴射し、該アシストガスに沿わせてシールドガスを噴射し得るように構成されている。

レーザヘッドＢは略円筒状に形成された筒体１０を有しており、該筒体１０の下端部に於ける内周面にレーザノズルＡを取り付けるための雌ねじからなるねじ部１０ａが形成されている。そして、筒体１０の内部にレーザ光及びアシストガスの通路１１が形成されている。

筒体１０の外周にはシールドガスを流通させるシールドガス通路１２が形成されている。また、筒体１０の下端部に於ける外周面に雄ねじからなるねじ部１０ｂが形成されており、このねじ部１０ｂにキャップ１４を締結することで、シールドガス通路１２に複数の穴１３ａを形成したリング部材１３を配置している。

従って、レーザヘッドＢには、中心にレーザ光とアシストガスの通路１１が形成されると共に外周部位にシールドガス通路１２が形成されている。

レーザノズルＡは、夫々筒状に形成されたインナーノズル１とアウターノズル２とを有している。インナーノズル１とアウターノズル２は後述するねじ部１ｃ、２ａを締結することで一体的に構成されており、両ノズル１、２の間にシールドガスの通路３が構成され、該通路３の先端にシールドガスを噴射するリング状の噴射口３ａが構成されている。

インナーノズル１の中心には、レーザヘッドＢに構成された通路１１と連通して形成され、レーザ光とアシストガスを噴射する噴射孔４が形成されている。また、インナーノズル１の上端部には、レーザヘッドＢの筒体１０に形成されたねじ部１０ａと螺合する雄ねじからなるねじ部１ａが形成されており、該ねじ部１ａの下方側にフランジ部１ｂが形成され、更に下方に雄ねじからなるねじ部１ｃが形成されている。また、ねじ部１ｃよりも下端側には筒部１ｄが形成されており、該筒部１ｄの先端部分にテーパ部１ｅが形成されている。

アウターノズル２はインナーノズル１の外周に一体的に配置され、該インナーノズル１との間にシールドガスの通路３を構成するものである。このアウターノズル２の外形は、上端側には寸法が大きいフランジ２ｂが形成され、下端側には寸法が小さい筒部２ｃが形成され、中間部にはテーパ部２ｄが形成されている。また、内部の形状はインナーノズル１の外形と略相似形に形成されており、該インナーノズル１の外径と、アウターノズル２の内径は、流通させるシールドガスの流量に対応して設定されている。

アウターノズル２はインナーノズル１のフランジ１ｂから先端までの長さと略等しいか、僅かに長く形成されており、上端部分にフランジ１ｂと接触し所定の長さを有するフランジ２ｂが形成されている。アウターノズル２の上端側の内周面には、インナーノズル１のねじ部１ｃと螺合する雌ねじからなるねじ部２ａが形成されている。また、フランジ２ｂには軸心に沿って貫通した複数の孔５が形成されており、該孔５を介してレーザヘッドＢに構成されたシールドガス通路１２と通路３が連通し得るように構成されている。

アウターノズル２の下端側に形成された筒部２ｃには、該筒部２ｃの内壁面２ｃ１から外壁面２ｃ２に貫通した連通孔６が形成されている。この連通孔６の形成位置は特に限定するものではないが、可及的に噴射口３ａを構成するアウターノズル２の下端側に接近させて、例えば２ｍｍ〜１０ｍｍ程度の範囲に形成することが好ましい。連通孔６をこのような部位に形成することで、被切断材に対するレーザ切断を行っているときに何等かの事情でシールドガスが被切断材の裏面側まで通過しなくなった場合に通路３から供給されているシールドガスを噴射口３ａと連通孔６から同時に噴射してスパッタの付着を防ぐことが可能となる。

また、アウターノズル２の筒部２ｃに形成する連通孔６の数は特に限定するものではないが、被切断材から二次元的な製品を切断するためには６個〜１２個程度であることが好ましい。しかし、この数を限定するものではないことは当然である。

また、アウターノズル２の筒部２ｃに形成する連通孔６の該アウターノズル２の軸心に対する角度については特に限定するものではなく、軸心に対して直角方向から形成しても良い。しかし、外周面２ｃ２側から内周面２ｃ１側にかけて下向きになるように傾斜させて形成することが好ましい。このように、連通孔６をアウターノズル２の軸心に対して傾斜させる際の角度についても特に限定するものではなく、３０度〜６０度程度の範囲であることが好ましい。

本実施例では、連通孔６として、直径を０．９ｍｍとし、筒部２ｃの外周に８個、軸心に対し４５度、外周面２ｃ２に於ける下端から約６ｍｍの位置に形成している。

上記の如く形成されたインナーノズル１のねじ部１ｃとアウターノズル２のねじ部２ａを螺合させてフランジ１ｂとフランジ２ｂを接触させることで、レーザノズルＡを構成することが可能である。これにより、インナーノズル１とアウターノズル２との間にはシールドガスの通路３が形成され、先端にはシールドガスの噴射口３ａが形成される。

更に、上記レーザノズルＡを構成するインナーノズル１のねじ部１ａをレーザヘッドＢを構成する筒体１０のねじ部１０ａに締結することで、該レーザノズルＡをレーザヘッドＢに取り付けることが可能である。このようにレーザノズルＡをレーザヘッドＢに取り付けることで、通路１１と噴射孔４が接続され、シールドガス通路１２と通路３が接続される。

従って、レーザヘッドＢの通路１１にアシストガスを供給すると共にシールドガス通路１２にシールドガスを供給すると、レーザノズルＡの噴射孔４からアシストガスが噴射し、噴出口３ａからシールドガスが噴出する。特に、シールドガスが通路３を流通することによって連通孔６に吸引効果が生じ、該連通孔６から大気が吸引されてシールドガスと共に噴射口３ａから噴射する。

このため、図４（ａ）に示すように、被切断材Ｃに向けてレーザノズルＡからアシストガスとシールドガスを噴射すると共に、噴射孔４からレーザ光を照射することで、該被切断材Ｃに対する切断を行うことが可能である。被切断材Ｃに対する切断が継続しているとき、この被切断材Ｃには連続した切溝Ｄが形成される。

被切断材Ｃに対して良好な切断が継続している場合、噴射口３ａから噴射されたシールドガスの一部は切溝Ｄを貫通して反力のない自由な状態で流れる。この状態が正常状態であるため、通路３の内圧が著しく上昇することはなく、連通孔６から大気が矢印ａ方向に吸引される。

次に、同図（ｂ）に示すように、レーザノズルＡが被切断材Ｃから切断を行う際の距離を保持した状態で切断が中断した場合について説明する。この場合、レーザノズルＡからのアシストガス及びシールドガスの噴射は継続しているため、噴射されたアシストガス及びシールドガスは被切断材Ｃの表面に衝突し、この結果、レーザノズルＡに形成された通路３の内圧が上昇する。この内圧の上昇に伴って連通孔６による吸引作用が失われる。そして、通路３を流通するシールドガスが連通孔６を通して矢印ｂ方向に流出するようになる。

連通孔６を通して大気に流出するシールドガスはレーザノズルＡの外周部分に沿った流となり、被切断材Ｃからスパッタが吹き上がっているような場合には、吹き上がったスパッタのレーザノズルＡへの付着を防ぐことが可能である。

本発明に係るレーザノズルでは、被切断材の表面との距離の変化や、良好な切断の継続、或いは中断などに伴うシールドガスの通路の内圧の変化を抑制することが可能となり有利である。

Ａ レーザノズル
Ｂ レーザヘッド
Ｃ 被切断材
Ｄ 切溝
１ インナーノズル
１ａ、１ｃ、２ａ ねじ部
１ｂ フランジ部
１ｄ 筒部
１ｅ テーパ部
２ アウターノズル
２ｂ フランジ
２ｃ 筒部
２ｃ１ 内壁面
２ｃ２ 外壁面
２ｄ テーパ部
３ 通路
３ａ 噴射口
４ 噴射孔
５ 孔
６ 連通孔
１０ 筒体
１０ａ、１０ｂ ねじ部
１１ 通路
１２ シールドガス通路
１３ リング部材
１３ａ 穴
１４ キャップ

Claims (2)

1. レーザヘッドに取り付けられて被切断材に向けてレーザ光を照射するレーザノズルであって、
   レーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射する円筒状の噴射孔を有するインナーノズルと、
   前記インナーノズルの外周に配置され該インナーノズルから照射されたレーザ光及び噴射されたアシストガスの周囲に添わせてリング状にシールドガスを噴射する噴射口を有するアウターノズルと、を有し、
   前記アウターノズルの噴射口の近傍に内壁面から外壁面に貫通した大気との連通孔が形成されていることを特徴とするレーザノズル。
2. 前記アウターノズルの噴射口の近傍に形成された連通孔は、外壁面側から内壁面側に向けて噴射口に接近するように傾斜していることを特徴とする請求項１に記載したレーザノズル。

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