JP2020062652A - レーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくいレーザ加工用ノズルを提供する。【解決手段】レーザ加工用ノズル７は、一端側に突出して形成されレーザ加工ヘッド(1)の筐体(13)に装着可能なヘッド装着部(71b)，他端側に筒状に突出して形成されたキャップ装着部(71d)，及び筐体(13)からのレーザ光(LSa)の通路となる貫通孔(71e)を有するノズル本体部(71)と、キャップ装着部(71d)の先端面(71d2)に当接すると共に先端面(71d2)を覆い、キャップ装着部(71d)に着脱自在に取り付けられたノズルキャップ(72)と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置に関する。

特許文献１に、レーザ加工ヘッドに装着するノズル本体と、ノズル本体の先端に結合させた独立部品としてのノズルチップと、を有する二分割構造のレーザ加工用ノズルが記載されている。

特開平５−２２８６８０号公報

レーザ加工装置は、一般に、レーザ加工用ノズルの先端部とワークの表面との間の距離であるノズルギャップを静電容量センサなどのギャップセンサで計測し、レーザ加工を、ノズルギャップが所望の距離となるように維持する倣い制御をしながら行えるようになっている。
ノズルギャップは、レーザ加工ヘッドに内蔵された集束レンズにより調整されるレーザ光の焦点位置と高度に関連づけられている。

一方、特許文献１に記載されたレーザ加工用ノズルは、ノズル本体とノズルチップとの間に接着剤を介在させて両者を一体化している。そのため、介在する接着剤の厚さのばらつきに応じて、倣い制御におけるワークの表面と集束レンズとの間の距離がばらつき、レーザ光の焦点位置がワークに対して良好に位置決めできず、良好な加工品質を得にくい、という不具合がある。

また、特許文献１に記載されたレーザ加工用ノズルのノズルチップは、材料として、プレス成形を容易にするためにアルミニウムが用いられている。しかしながら、アルミニウムを用いたノズルチップは、レーザ加工において材料上面に吹き上がって突出するいわゆるヒゲが形成された場合に、ヒゲとの擦れで損傷し易く寿命が短い。そのため、交換頻度が高くなり稼働率が低下するという不具合がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくいレーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） 一端側に突出して形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着可能なヘッド装着部，他端側に筒状に突出して形成されたキャップ装着部，及び前記筐体からのレーザ光の通路となる貫通孔を有するノズル本体部と、
前記キャップ装着部の先端面に当接すると共に前記先端面を覆い、前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられたノズルキャップと、
を備えたレーザ加工用ノズルである。
２） 前記ノズル本体部の材質と前記ノズルキャップの材質とが異なることを特徴とする１）に記載のレーザ加工用ノズルである。
３） 前記ノズル本体部の材質が銅であり、前記ノズルキャップの材質がステンレス鋼であることを特徴とする２）に記載のレーザ加工用ノズルである。
４） 前記ノズルキャップが前記キャップ装着部の所定位置に装着された状態で、前記キャップ装着部の前記先端面の全範囲が前記ノズルキャップに覆われて外部から視認不能であり、前記貫通孔の内面における前記キャップ装着部に対応する部分が露出して外部から視認可能であることを特徴とする１）〜３）のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルである。
５） １）〜４）のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルが装着されたレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、
を備えたレーザ加工装置である。

本発明によれば、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくい、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加工装置の実施例であるレーザ加工装置５１の全体構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工用ノズルであるノズル７の構成を示す断面図である。 図３は、ノズル７のノズルキャップ７２を取り外した状態を示す半断面図である。 図４は、ノズルキャップ７２を示す半断面図である。 図５は、ノズルキャップ７２を示す平面図である。 図６は、ノズル７の変形例を示す側面図であり、（ａ），（ｂ）はそれぞれ変形例１のノズル７Ａ，変形例２のノズル７Ｂを示す。

（実施例）
本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を、実施例のレーザ加工装置５１により説明する。

図１は、レーザ加工装置５１の概略全体構成を示す図である。
レーザ加工装置５１は、レーザ加工ヘッド１，レーザ発振器２，アシストガス供給装置３，及びＮＣ装置４を含んで構成されている。

レーザ加工ヘッド１は、筒状の筐体１３及び筐体１３の先端部に取り付けられたレーザ加工用ノズル７を有する。レーザ加工用ノズル７は、筐体１３に対し、ねじの螺合構造などによって着脱可能に取り付けられる。
筐体１３の内部には、コリメーションレンズ１１及び集束レンズ１２が配置されている。
また、筐体１３は、レーザ加工用ノズル７の先端面とワークＷの表面との間の距離であるノズルギャップＧＰを計測するためのノズルギャップセンサ８を有する。
以下、レーザ加工用ノズル７を、単にノズル７と称する。

レーザ加工ヘッド１は、レーザ発振器２からレーザ光ＬＳａが供給される。供給されたレーザ光ＬＳａは、コリメーションレンズによって平行光束とされ、集束レンズ１２によって所望の位置に焦点を結ぶようにノズル７から射出するレーザ光ＬＳに加工される。
レーザ光ＬＳは、ノズル７の先端に開口する開口部７ａ（図２参照）から筐体１３の軸線ＣＬ１３に沿って外部に射出される。
筐体１３内に備えられたレンズ駆動部（不図示）によって集束レンズ１２を矢印ＤＲａで示すように軸方向に移動させると、レーザ光ＬＳの焦点位置が調整される。

レーザ発振器２は、例えばファイバレーザによってレーザ光ＬＳａを生成し、生成したレーザ光ＬＳａをレーザ加工ヘッド１に供給する。
アシストガス供給装置は、例えば窒素ガスをアシストガスＡＧとしてレーザ加工ヘッド１に供給する。

図２に示されるように、ノズル７はこの例においてダブルノズルタイプである。
これにより、ノズル７の先端の開口部７ａからは、軸線ＣＬ１３上にレーザ光ＬＳが射出し、射出するレーザ光ＬＳを取り囲むようにアシストガスＡＧが噴出する。

ＮＣ装置４は、レーザ発振器２及びアシストガス供給装置３の動作を制御する。また、ＮＣ装置４は、レーザ加工ヘッド１におけるレンズ駆動部の動作を制御して集束レンズ１２の光軸方向の位置を変え、射出するレーザ光ＬＳの焦点位置を調整する。

次に、ノズル７の詳細を図２〜図５を参照して説明する。
図２に示されるように、ノズル７は、ノズル本体部７１，ノズルキャップ７２，及びインナノズル７３を有する。ノズル本体部７１及びインナノズル７３によってダブルノズル構造が構成されている。以下、便宜的にノズル本体部７１をアウタノズル７１と称する。

アウタノズル７１，ノズルキャップ７２，及びインナノズル７３の材質は、例えば、金属とされる。材質が金属の場合の形成方法例は、金属塊から削り出す、或いは母体となる鋳造品に対し必要な部分を切削加工する、などである。
用いる金属の例は、アウタノズル７１及びインナノズル７３は銅であり、ノズルキャップ７２はステンレス鋼である。材質の詳細は後述する。

図２及び図３に示されるように、アウタノズル７１は、ノズル７の本体部として機能し、軸線ＣＬ７１を中心軸として概ね筒状に形成されている。
アウタノズル７１は、上方側から、突筒部７１ｂ，フランジ部７１ａ，傾斜部７１ｃ，及びキャップ装着部７１ｄを有し、さらに中心位置において上下に貫く貫通孔７１ｅを有する。
フランジ部７１ａと傾斜部７１ｃとを合わせた部位を基部７１ｋと称する。

突筒部７１ｂは、軸線ＣＬ７１を中心軸とし、基部７１ｋから一端側となる上方に円筒状に突出した部位である。突筒部７１ｂは、外周部に雄ねじ部７１ｂ１を有する。
図２に示されるように、雄ねじ部７１ｂ１は、レーザ加工ヘッド１の筐体１３に形成された雌ねじ部１３ａに螺着可能である。すなわち、突筒部７１ｂは筐体１３に装着可能なヘッド装着部である。

フランジ部７１ａの上面７１ａ１は、アウタノズル７１の軸線ＣＬ７１に対し直交する面として形成されている。上面７１ａ１は、雄ねじ部７１ｂ１が筐体１３の雌ねじ部１３ｅに対し螺進した際に、筐体１３の下面１３ｂに突き当たって密着する。
傾斜部７１ｃは、フランジ部７１ａから下方に向かうに従って、外径が小さくなる方向で断面の外形線が凹（内側に凸）となるよう傾斜した外周面を有する。
傾斜部７１ｃの下端の面は、軸線ＣＬ７１に直交する平坦なキャップ対向面７１ｃ１とされている。

キャップ装着部７１ｄは、軸線ＣＬ７１を中心軸とし、基部７１ｋから他端側となる下方に円筒状に突出した部位である。キャップ装着部７１ｄは、外周部に雄ねじ部７１ｄ１を有する。
図２に示されるように、キャップ装着部７１ｄの内面７１ｄ３は、ノズル７としての開口部７ａの内面の大部を占め、外部に露出して視認可能である。

キャップ装着部７１ｄの先端面である下端面７１ｄ２とフランジ部７１ａの上面７１ａ１との間の距離をＨａとし、下端面７１ｄ２と傾斜部７１ｃのキャップ対向面７１ｃ１との間の距離をＨｂとする。
また、キャップ対向面７１ｃ１の外径を直径Ｄａとし、キャップ装着部７１ｄの内径を内径Ｄｃとする。

図２及び図３に示されるように、インナノズル７３は、外径がアウタノズル７１の貫通孔７１ｅの内径よりも小さい長筒状に形成されている。インナノズル７３は、外周部に、周方向に所定角度間隔で離隔して径方向外側に突出する支持部（不図示）を有している。所定角度間隔は、例えば１２０°である。

インナノズル７３は、貫通孔７１ｅ内に、支持部の先端部位が貫通孔７１ｅの内面に強嵌合で圧入され、アウタノズル７１と一体化されている。
これにより、貫通孔７１ｅの内周面７１ｅ１とインナノズル７３の外周面７３ａとの間には、軸線Ｃｌ７１に沿って延びる概ね環状の空間Ｖａが形成される。空間Ｖａは、アシストガスＡＧの流路となる。

インナノズル７３は、中心を貫通する貫通孔７３ｂを有する。貫通孔７３ｂの内部の空間Ｖｂは、レーザ光ＬＳの通路となる。そのため、貫通孔７３ｂの内面７３ｂ１は、レーザ光ＬＳの集束する光束に沿い、下方に向かうに従って径が小さくなる傾斜部７３ｂ２を有する。
図３に示されるように、インナノズル７３をアウタノズル７１に取り付けた状態で、インナノズル７３の下端面７３ｃの上下方向位置は、キャップ装着部７１ｄの下端面７１ｄ２から上方に距離Ｈｆだけ入り込んだ位置にある。

図２及び図４に示されるように、ノズルキャップ７２は、軸線ＣＬ７２を中心軸とする環状の周壁部７２ｅ及び底部７２ａを有する椀状に形成されている。
周壁部７２ｅの内面には、アウタノズル７１の雄ねじ部７１ｄ１に螺合可能な雌ねじ部７２ｃが形成されている。
周壁部７２ｅは、下方に向かうに従って外径が小さくなる方向で断面の外形線が凸（外側に凸）となるように傾斜した外周面を有する。
周壁部７２ｅの上面は、軸線ＣＬ７２に直交し外径が直径Ｄｂのアウタノズル対向面７２ｄとされている。直径Ｄｂは、アウタノズル７１におけるキャップ対向面７１ｃ１の直径Ｄａと同じとされている。

底部７２ａには、内径Ｄｄで開口する円形の開口孔７２ｂが形成されている。開口孔７２ｂの内径Ｄｄは、キャップ装着部７１ｄの内径Ｄｃと同じとされている。
底部７２ａの環状の上面は、軸線ＣＬ７２に直交するアウタノズル当接面７２ｆとされている。底部７２ａの厚さを距離Ｈｄとする。

アウタノズル対向面７２ｄとアウタノズル当接面７２ｆとの間の距離Ｈｃは、アウタノズル７１の距離Ｈｂ（図３参照）よりも僅かに小さい。
そのため、ノズルキャップ７２の雌ねじ部７２ｃを、アウタノズル７１のキャップ装着部７１ｄにおける雄ねじ部７１ｄ１に対し螺進させると、ノズルキャップ７２のアウタノズル当接面７２ｆがキャップ装着部７１ｄの下端面７１ｄ２に当接してノズルキャップ７２の上下方向の位置が所定位置として決められる。
また、キャップ装着部７１ｄの下端面７１ｄ２は、全範囲がアウタノズル当接面７２ｆにより覆われて外部から視認不能となる。

また、図２に示されるように、ノズルキャップ７２におけるアウタノズル対向面７２ｄと、アウタノズル７１におけるキャップ対向面７１ｃ１との間である分割部Ｐａには、必ず隙間Ｈｇが生じる。換言するならば、図２に示されるノズルキャップ７２の底部７２ａの下面である先端面７２ａ１と筐体１３の下面１３ｂとの間の距離Ｈｅは、距離Ｈａ＋距離Ｈｄとなる。

距離Ｈａ及び距離Ｈｄに関わる面は、すべて切削加工で形成可能である。そのため、距離Ｈｅは高精度にばらつきなく安定的に決められる。
これにより、ノズルキャップ７２を交換しても、距離Ｈｅは、所望の距離として常に高精度に維持され、レーザ加工ヘッド１を備えたレーザ加工装置５１で行う倣い制御を伴うレーザ加工において、常に良好な加工品質が得られる。

図５に示されるように、ノズルキャップ７２は、周壁部７２ｅの外周部に、例えば一対の平行なカット面部７２ｇ１，７２ｇ２を有する。これにより、ノズルキャップ７２をアウタノズル７１に螺着する場合に、レンチなどの工具などを用いてより確実に取り付けることができる。

次に、材質について詳述する。
ノズル７は、ノズルキャップ７２が、アウタノズル７１及びインナノズル７３に対し別の部材として構成されている。そのため、ノズルキャップ７２を、アウタノズル７１及びインナノズル７３とは異なる材質で形成できる。

一般に、鉄系金属のワークに対しレーザ光でピアスを形成する場合、溶融した鉄系金属がワークの上面に吹き上がって盛り上がる、いわゆるヒゲが生じ得る。
倣い制御でレーザ加工を行う場合、ノズルギャップを小さく（狭く）すると、ノズルの先端がヒゲと擦れ、ノズル先端部が一様にではなく偏って摩耗する。
ノズル先端部の摩耗は、倣い制御のノズルギャップとレーザ光の焦点位置との関係に影響する。また、ノズル先端部の偏った摩耗は、アシストガスＡＧがノズル先端部とワークＷとの間から外部へ吹き出す際の周方向の流速バランスを崩すため、加工性能に影響する。
そのため、ノズル先端部の材質は、銅やアルミニウムなどよりも硬くヒゲとの擦れにおいてより摩耗しにくいステンレス鋼などを用いることが望まれる。

また、鉄系金属のワークに対するレーザ加工で飛散する鉄系金属のドロスは、ノズルの開口部の内面に衝突する。この衝突で開口部の内面に付着するドロスの量は、その内面の材質がドロスに対し異系金属の場合よりも同系金属の場合の方が多い。すなわち、開口部の内面の材質が銅やアルミニウムの場合よりもステンレス鋼の場合の方が、鉄系金属のドロスは付着し易い。
ノズルの開口部の内面にドロスが多く付着すると、開口径が狭まる、開口径が真円ではない異形となる、などして、加工性能に影響する。
そのため、ノズルの開口部の内面の材質は、ステンレス鋼ではない例えば銅などを用いることが望まれる。

以上から明らかなように、ノズルが同一材料で形成されている場合、先端部の摩耗低減と開口部内面へのドロスの付着量抑制とを同時に満たすことはできない。
これに対し、既述のように、ノズル７は、先端部を構成するノズルキャップ７２と開口部内面の大部分を構成するアウタノズル７１とが別部材であり異なる材質で形成可能である。
そのため、レーザ加工するワークが鉄系金属の場合、ノズルキャップ７２を摩耗しにくいステンレス鋼で形成し、アウタノズル７１を鉄系金属のドロスが付着しにくい銅で形成することで、先端部の摩耗低減と開口部内面へのドロスの付着量抑制を同時に満たすことができる。

もちろん、ワークが鉄系以外の金属材料の場合は、ステンレス鋼と銅という組み合わせに限定されず、最適な材質の組み合わせによってノズルキャップ７２及びアウタノズル７１を形成してよい。

図２及び図４に示されるように、ノズルキャップ７２の開口孔７２ｂの内面７２ｂ１は、開口部７ａの内面の一部として含まれている。しかしながら、飛散するドロスの量は、加工部位から軸線ＣＬ７に沿う方向に飛散する量が多く、水平に近い内面７２ｂ１へ向かう飛散量は少ない。そのため、アウタノズル７１のキャップ装着部７１ｄの内面７１ｄ３に飛散するドロスの量に比べてノズルキャップ７２の内面７２ｂ１へ向け飛散するドロスの量は無視でき、ノズルキャップ７２がステンレス鋼で形成されていても、内面７２ｂ１へのドロスの付着は無視できる。

図１に示されるように、ＮＣ装置４は、ノズルギャップセンサ８からの検出信号ＳＧ１に基づいて、ノズル７におけるノズルキャップ７２の先端面７２ａ１と、ワークＷの表面Ｗａとの距離であるノズルギャップＧＰを求める。
ＮＣ装置４は、レーザ加工ヘッド１を昇降させる昇降部（不図示）の動作を、レーザ光ＬＳによるレーザ加工中にノズルギャップＧＰが予め設定された値で維持されるように制御する。
ノズルキャップ７２は、ステンレス鋼で形成されているので、鉄系金属のワークＷの加工において先端面７２ａ１はヒゲなどに擦れても摩耗しにくい。
そのため、ノズルギャップＧＰは、長期間高精度に維持され、良好な加工品質が得られる。

以上のように、ノズル７及びノズル７を備えたレーザ加工装置５１は、ノズルキャップ７２の摩耗が少なくドロスの付着量も抑制されるので、ノズルキャップ７２の交換間隔が長い。これにより、レーザ加工装置５１によるレーザ加工は、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくい。

本発明の実施例は、上述した構成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。

図２に示される、アウタノズル７１とノズルキャップ７２との分割部Ｐａの上下方向位置は、限定されない。実施例では、分割部Ｐａを距離Ｈｅで示される範囲の中央付近に設定したノズル７を説明したが、図６（ａ）のように、分割部Ｐａをフランジ部７１ａに近い位置に設定したノズル７Ａ、或いは図６（ｂ）のように、分割部Ｐａを底部７２ａに近い位置に設定したノズル７Ｂにしてもよい。

アウタノズル７１にノズルキャップ７２を着脱自在に装着する構造は、実施例で説明したねじの螺合構造に限定されない。バヨネット構造、或いはプランジャなどを用いて所定の装着位置に引き込む構造など、周知の構造を自由に適用できる。
ノズル７は、インナノズル７３を有していないシングルタイプのノズルであってもよい。この場合、アウタノズル７１は、ノズル本体部７１と称する。

１ レーザ加工ヘッド
１１ コリメーションレンズ、 １２ 集束レンズ、 １３ 筐体
１３ａ 雌ねじ部、 １３ｂ 下面
２ レーザ発振器
３ アシストガス供給装置
４ ＮＣ装置
５１ レーザ加工装置
７，７Ａ，７Ｂ ノズル（レーザ加工用ノズル）
７ａ 開口部
７１ ノズル本体部（アウタノズル）
７１ａ フランジ部、 ７１ａ１ 上面、 ７１ｂ 突筒部
７１ｂ１ 雄ねじ部、 ７１ｃ 傾斜部、 ７１ｃ１ キャップ対向面
７１ｄ キャップ装着部、 ７１ｄ１ 雄ねじ部、 ７１ｄ２ 下端面
７１ｄ３ 内面、 ７１ｅ 貫通孔、 ７１ｅ１ 内周面
７１ｋ 基部
７２ ノズルキャップ
７２ａ 底部、 ７２ａ１ 先端面、 ７２ｂ 開口孔
７２ｂ１ 内面、 ７２ｃ 雌ねじ部、 ７２ｄ アウタノズル対向面
７２ｅ 周壁部、 ７２ｆ アウタノズル当接面
７２ｇ１，７２ｇ２ カット面部
７３ インナノズル
７３ａ 外周面、 ７３ｂ 貫通孔、 ７３ｂ１ 内面
７３ｂ２ 傾斜部、 ７３ｃ 下端面
８ ノズルギャップセンサ
ＡＧ アシストガス
ＣＬ１３，ＣＬ７１，ＣＬ７２ 軸線
Ｄａ，Ｄｂ 直径、 Ｄｃ，Ｄｄ 内径
ＧＰ ノズルギャップ
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｆ，Ｈｃ，Ｈｄ，Ｈｅ 距離、 Ｈｇ 隙間
ＬＳ，ＬＳａ レーザ光
Ｐａ 分割部
ＳＧ１ 検出信号
Ｖａ，Ｖｂ 空間
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. 一端側に突出して形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着可能なヘッド装着部，他端側に筒状に突出して形成されたキャップ装着部，及び前記筐体からのレーザ光の通路となる貫通孔を有するノズル本体部と、
   前記キャップ装着部の先端面に当接すると共に前記先端面を覆い、前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられたノズルキャップと、
   を備えたレーザ加工用ノズル。
2. 前記ノズル本体部の材質と前記ノズルキャップの材質とが異なることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工用ノズル。
3. 前記ノズル本体部の材質が銅であり、前記ノズルキャップの材質がステンレス鋼であることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工用ノズル。
4. 前記ノズルキャップが前記キャップ装着部の所定位置に装着された状態で、前記キャップ装着部の前記先端面の全範囲が前記ノズルキャップに覆われて外部から視認不能であり、前記貫通孔の内面における前記キャップ装着部に対応する部分が露出して外部から視認可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工用ノズル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工用ノズルが装着されたレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、
   を備えたレーザ加工装置。
   
   

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