JP2021007976A - レーザ加工用ノズル，レーザ加工装置，レーザ加工方法，及びレーザ加工用ノズル群 - Google Patents

Abstract

【課題】アシストガス圧が低圧でもレーザ加工用ノズルに不具合が生じずにドロスを良好排出できるレーザ加工用ノズルを提供する。【解決手段】インナノズル(71)の外周面と第２貫通孔(723)の内周面との間に第２通気路が形成されたインナノズル(71)は第１端部の反対の第２端部側の先端面(714a)がアウタノズル(72)の第２端部側の先端面(72b)よりも軸方向内側に位置する。第１及び第２通気路からアシストガス(AG１、２)を噴出させ第１通気路からレーザ光を射出するレーザ切断加工でカッティングフロント下端でアシストガス(AG１、２)の流速(fr)，密度(ρ),及び圧力(Ps)をそれぞれ音速以上,2.1kg/m３以下,及び0.13MPa以下にできる。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工用ノズル，レーザ加工装置，レーザ加工方法，及びレーザ加工用ノズル群に関する。

特許文献１に記載されたレーザ加工方法は、加工対象物とノズルとの距離を倣い制御により所定のノズルギャップとして保ちながら、ノズルから照射するレーザ光によって加工対象物を切断する。このレーザ加工方法では、加工で生じた溶解金属を、ノズルから噴出させたアシストガスで吹き飛ばしてカーフから排出する。

特開２００９−０００６９８号公報

レーザ光で軟鋼を切断する場合には、アシストガスとして比較的低圧の酸素を使用する。これは、レーザ光での熱切断において、融解した鉄とアシストガスとして供給する酸素との酸化反応熱によって更に融解を促進させるためである。
一方、レーザ光でステンレス鋼を切断する場合には、アシストガスとして酸素ではなく比較的高価な高純度の窒素ガスなどを使用する。これは、ステンレス鋼の切断の場合、切断面に黒い酸化皮膜が付かないことが一般的に望まれ、またステンレス鋼に含まれるクロムは、その酸化物がドロスの粘性に好ましくない影響を与えることが知られているためである。
また、レーザ光による軟鋼の切断においても、切断面に酸化皮膜が付くことを望まない場合は、窒素を主成分とするアシストガスを用いる。
従来、切断する鋼材の板厚が厚いほど、ドロス付着を抑制して融解金属の排出を促進するためにアシストガスを例えば１ＭＰaを超えるガス圧にすることが炭酸ガスレーザが主流の時代から行われてきている。
そのため、一般的に、レーザ加工においては、アシストガスを、例えば１ＭＰａ以下の低圧で噴射して消費量を抑制し、コストを低減することが望まれている。

また、アシストガスを低圧でも効率よくカーフ内に流すため、ノズルギャップを０．５ｍｍ以下に小さくすることが検討されるが、スパッタの跳ね返りによるノズルの詰まりや、ピアス加工時のピアス痕との接触による損傷の虞が高まるという不具合が生じてしまう。
これらから、加工対象物をレーザ光によって切断する場合において、アシストガスのガス圧を、例えば１ＭＰａ以下の低圧にしても、レーザ加工用ノズルに不具合が生じることなく、より良好に、ドロス付着を抑制して溶解金属の排出ができることが要望されている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、アシストガスのガス圧が低圧でもレーザ加工用ノズルに不具合が生じることなくドロス付着を抑制して良好に排誘拐金属を排出できるレーザ加工用ノズル，レーザ加工装置，レーザ加工方法，及びレーザ加工用ノズル群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） 第１通気路としての第１貫通孔を有する管状のインナノズルと、
前記インナノズルが挿着される第２貫通孔と、第１の端部に形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着される装着部と、を有する管状のアウタノズルと、
を備え、
前記インナノズルは、前記第２貫通孔内に挿着された状態で、前記インナノズルの外周面と前記第２貫通孔の内周面との間にリング状の第２通気路が形成されると共に、前記インナノズルは、前記第１の端部の反対側となる第２の端部側の先端面が前記アウタノズルの前記第２の端部側の先端面よりも軸方向の内側に位置しており、
前記第１通気路及び前記第２通気路からアシストガスを噴出させると共に前記第１通気路からレーザ光を射出してワークを切断加工するレーザ加工において、カッティングフロントの下端位置で、噴出した前記アシストガスの、流速，密度，及び圧力を、それぞれ同時に、音速以上，２．１ｋｇ／ｍ^３以下，及び０．１３ＭＰａ以下にできるレーザ加工用ノズルである。
２） １）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を３次元に移動させる駆動部と、
前記レーザ加工ヘッドにレーザ光を供給するレーザ発振器と、
前記レーザ加工ヘッドにアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
ノズルギャップを計測するノズルギャップ計測部と、
前記ノズルギャップ計測部で計測したノズルギャップに基づいて前記駆動部の動作を制御する制御部と、
を備えたレーザ加工装置である。
３） ２）に記載のレーザ加工装置を用い、
前記アシストガスのガス圧を１ＭＰａ以下、かつ前記ノズルギャップを０．５ｍｍ以上にして、前記レーザ光により熱間圧延鋼板又はステンレス鋼板を切断することを特徴とするレーザ加工方法である。
４） ノズル径の異なる複数のノズルの組として構成され、
各前記ノズルはレーザ光及びアシストガスを射出する貫通孔を有するインナノズルと、前記インナノズルとの間に前記アシストガスを射出するリング状の開口部を形成するアウタノズルとを有し、
前記インナノズルの先端部の外径をＤ３とし、前記貫通孔の内径をＤ１とし、前記アウタノズルの内径を前記ノズル径としてＤ２として、（Ｄ２，Ｄ１）及び（Ｄ２，Ｄ３）の組み合わせをそれぞれ（ｘ、ｙ）としたときに、
（Ｄ２，Ｄ１）及び（Ｄ２，Ｄ３）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となっていることを特徴とするレーザ加工用ノズル群である。
５） ノズル径の異なる複数のノズルの組として構成され、
各前記ノズルはレーザ光及びアシストガスを射出する貫通孔を有するインナノズルと、前記インナノズルとの間に前記アシストガスを射出するリング状の開口部を形成するアウタノズルとを有し、
前記インナノズルの先端部の外径をＤ３とし、前記貫通孔の内径をＤ１とし、前記アウタノズルの内径を前記ノズル径としてＤ２とし、
Δｄ２を（Ｄ３−Ｄ１）／２、Δｄ３を（Ｄ２−Ｄ３）／２として、（Ｄ２，Δｄ２）及び（Ｄ２，Δｄ３）の組み合わせをそれぞれ（ｘ，ｙ）としたときに、
（Ｄ２，Δｄ２）及び（Ｄ２，Δｄ３）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となっていることを特徴とするレーザ加工用ノズル群である。

本発明によれば、アシストガスのガス圧が低圧でもレーザ加工用ノズルに不具合が生じることなくドロス付着を抑制して良好に融解金属を排出できる、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加工装置の実施例であるレーザ加工装置５１を示す構成図である。 図２は、レーザ加工装置５１が備えるレーザ加工用ノズル７を示す縦断面図である。 図３は、レーザ加工用ノズル７の上面図である。 図４は、レーザ加工用ノズル７の下面図である。 図５（ａ）は、切断経路Ｑにおけるドロス高さの測定点を示す図であり、図５（ｂ）は、ドロス高さｔを示す図である。 図６は、レーザ加工用ノズル７を用いたＳＰＨ材のレーザ切断加工におけるドロス高さを示した第１の表である。 図７は、レーザ加工用ノズル７を用いたＳＰＨ材のレーザ切断加工におけるドロス高さを示した第２の表である。 図８は、レーザ加工用ノズル７を用いたＳＵＳ材のレーザ切断加工におけるドロス高さを示した表である。 図９は、レーザ加工用ノズル７の主要寸法に基づく評価値を示す表である。 図１０は、レーザ加工用ノズル７及び比較例のノズル１０１，１０２のアシストガスＡＧの流速分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、レーザ加工用ノズル７及び比較例のノズル１０１，１０２のアシストガスＡＧの密度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１２は、レーザ加工用ノズル７及び比較例のノズル１０１，１０２のアシストガスＡＧの圧力分布のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、図１０に示される流速分布のシミュレーションにおけるカッティングフロント下端位置での流速ｆｒのマッハ数を示すグラフである。 図１４は、図１１に示される密度分布のシミュレーションにおけるカッティングフロント下端位置での密度ρの値を示すグラフである。 図１５は、図１２に示される圧力分布のシミュレーションにおけるカッティングフロント下端位置での圧力Ｐｓの値を示すグラフである。 図１６は、切断実験に供した１７種類のノズルの代表寸法を示す表である。 図１７は、ノズル７，７Ａ，７Ｂ及び比較例のノズル７７１，７７２の主要寸法と評価結果とを示す表である。 図１８は、各供試ノズルについての内径Ｄ２と、内径Ｄ１及び外径Ｄ３との関係を示したグラフである。 図１９は、ノズル７，７Ａ，７ＢのアシストガスＡＧの流速分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２０は、ノズル７７１，７７２のアシストガスＡＧの流速分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２１は、ノズル７，７Ａ，７ＢのアシストガスＡＧの密度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２２は、ノズル７７１，７７２のアシストガスＡＧの密度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２３は、ノズル７，７Ａ，７ＢのアシストガスＡＧの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２４は、ノズル７７１，７７２のアシストガスＡＧの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２５は、ノズル７，７Ａ，７ＢのアシストガスＡＧの圧力分布のシミュレーション結果を示す図である。 図２６は、ノズル７７１，７７２のアシストガスＡＧの圧力分布のシミュレーション結果を示す図である。

（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の全体の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，駆動部４，及び制御部としてのＮＣ装置５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１１及び筐体１１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１１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１１の内部には、コリメーションレンズ１２，ベンドミラー１３，及び集束レンズ１４が配置されている。

筐体１１は、ノズルギャップＨｇを計測するためのノズルギャップ計測部１５を有する。ノズルギャップＨｇは、レーザ加工用ノズル７の先端面７２ｂ（図２参照）と、レーザ加工装置５１で加工するワークＷの上面Ｗａとの間の距離である。以下、レーザ加工用ノズル７を、単にノズル７とも称する。

レーザ発振器２は、例えばファイバレーザであって、ＮＣ装置５の制御の下でレーザ光Ｌｓａを生成する。
生成するレーザ光Ｌｓａの波長は、１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲を含むいわゆる１μｍ帯（９００ｎｍ〜１１００ｎｍ帯域）、或いは１μｍ帯よりも短い波長であればよい。
レーザ発振器２は、ファイバレーザに限るものではなく、例えばディスクレーザやＤＤＬ（ダイレクト・ダイオード・レーザ）であってもよい。
換言するならば、レーザ発振器２は、波長が比較的長い１０μｍ帯の炭酸ガスレーザなどにおいて受け易い窒素プラズマの影響を受けにくく、加工対象となる金属の吸収率が高い短波長レーザであればよい。

レーザ発振器２で生成されたレーザ光Ｌｓａは、プロセスファイバ２１及びカプラ２１ａを介して筐体１１内に供給される。
カプラ２１ａから筐体１１内に供給されたレーザ光Ｌｓａは、発散光であり、コリメーションレンズによって平行光束とされてベンドミラー１３に向かう。
平行光束とされたレーザ光Ｌｓａは、ベンドミラー１３で正反射し、集束レンズ１４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の先端近傍に開口するインナノズル７１の開口部７１ａ（図２参照）から外部に射出する。

レーザ加工ヘッド１は、集束レンズ１４を光軸方向に移動させる集束レンズ駆動部１４ａを有する。集束レンズ１４が光軸方向に移動することでレーザ光Ｌｓの焦点位置が調整される。集束レンズ駆動部１４ａの動作は、ＮＣ装置５によって制御される。

アシストガス供給装置３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。アシストガス供給装置３の動作はＮＣ装置５により制御される。
アシストガスＡＧに窒素ガスを用いるのは、レーザ光Ｌｓによる熱切断加工において、被加工材であるワークＷの切断部位の酸化を抑制するためである。
アシストガスＡＧに用いる窒素ガスとして、ボンベなどで供給される高純度の窒素ガス、或いは大気から生成した窒素リッチガスを用いることができる。

レーザ加工ヘッド１は、駆動部４によって、加工するワークＷの上面Ｗａに対する水平方向及び直交方向のいずれか一方に、又は両方向同時に３次元的に移動する。
駆動部４の動作はＮＣ装置５によって制御される。
ＮＣ装置５は、レーザ加工を実行中に、駆動部４を動作させて、ノズルギャップ計測部１５により計測したノズルギャップＨｇが所定値となるようにレーザ加工ヘッド１の上下方向位置を制御する。

次に、ノズル７の詳細を図２〜図４を参照して説明する。
図２〜図４は、それぞれノズル７の縦断面図，上面図，下面図である。図２は、図３におけるＳ２−Ｓ２位置での縦断面図である。
ノズル７は、いわゆるダブルノズルタイプであって、インナノズル７１及びアウタノズル７２を有する。説明の便宜上、上下方向を、図２に矢印で示される方向に規定する。

インナノズル７１は、上下方向を軸方向とする第１貫通孔である貫通孔７１１を有し管状に形成されている。インナノズル７１は、上部側から、係合部７１２，中間部７１３，及び先端部７１４を有する。
係合部７１２は、直管状であって外周面に雄ねじが形成された雄ねじ部７１２ａを有する。図２において、雄ねじ部７１２ａのねじ形状は省略してある。

中間部７１３は、雄ねじ部７１２ａの谷径よりも小さい外径で直管状に形成されている。
先端部７１４は、上端部が中間部７１３に接続し、下方に向かうに従って、外径が同芯で外径Ｄ３まで小さくなるように形成されている。
貫通孔７１１は、上方孔部７１１ａ及び下方孔部７１１ｂを有する。
上方孔部７１１ａは、上端面から先端部７１４の途中までの範囲であって、下方に向かうに従って内径が内径Ｄ１まで小さくなる先すぼまりの孔部である。
下方孔部７１１ｂは、上端部が上方孔部７１１ａに接続し、一定の内径Ｄ１で先端面７１４ａに下方孔部７１１ｂで開口している。

アウタノズル７２は、上下方向を軸とする第２貫通孔である貫通孔７２３を有し管状に形成されている。アウタノズル７２は、第１の端部側である上端部側から、第１の端部の反対側の第２の端部側である下端部側に向け、装着部７２７，フランジ部７２１，及び傾斜部７２２を有する。

装着部７２７は、外周面に雄ねじが形成された雄ねじ部７２７ａを有する。
雄ねじ部７２７ａは、筐体１１の下端部に形成された雌ねじ部１１ａ（図１参照）に螺合する。この螺合構造によって、ノズル７は、筐体１１に対し着脱自在となっている。

貫通孔７２３は、上部から雌ねじ部７２３ａ，基本孔部７２４，中間孔部７２５，及び先端孔部７２６を有する。
雌ねじ部７２３ａは、貫通孔７２３の上部の内周面に形成された雌ねじを有する。雌ねじ部７２３ａは、インナノズル７１の係合部７１２の雄ねじ部７１２ａと螺合する。
基本孔部７２４は、雌ねじ部７２３ａの下端部から傾斜部７２２の途中まで直状に形成されている。
中間孔部７２５は、上端が基本孔部７２４に接続し、下方に向け内径が内径Ｄ２まで小さくなるよう形成されている。
先端孔部７２６は、上端が中間孔部７２５に接続し、一定の内径Ｄ２で形成され先端面７２ｂに先端孔部７２６で開口している。

フランジ部７２１は、装着部７２７の雄ねじ部７２７ａを筐体１１の雌ねじ部１１ａに螺進（螺合部分が増える方向にまわす）させた際に、所定の位置で筐体１１の下端面１１ｂ（図１参照）に当接し、それ以上の螺進を規制する。

インナノズル７１を、第２の端部となる先端部７１４が下方を向く姿勢でアウタノズル７２の貫通孔７２３に上方から挿入し、インナノズル７１の雄ねじ部７１２ａをアウタノズル７２の装着部７２７の雌ねじ部７２３ａに螺着させることで、インナノズル７１とアウタノズル７２とを一体化させることができる。
アウタノズル７２に装着されたインナノズル７１の上下方向の位置は、雄ねじ部７１２ａの下端部が、それより小径の基本孔部７２４に当接することで所定の位置に規制される。

インナノズル７１がアウタノズル７２に対し所定の位置に挿着されているとき、インナノズル７１の先端面７１４ａの上下方向位置は、アウタノズル７２の先端面７２ｂの位置よりも上方にある。
先端面７２ｂに対する先端面７１４ａの高さを距離Ｈ１とする。

図３に示されるように、インナノズル７１の係合部７１２の外周面には、円形の外周に対し例えば、断面形状で弦状に切り込まれた切り込み部７１６が、等角度間隔で複数形成されている。
インナノズル７１がアウタノズル７２に対し所定の位置に装着されている状態で、各切り込み部７１６とアウタノズル７２の貫通孔７２３との間に、軸方向（上下方向）に延びる通気路ＡＲａが形成される。

ノズル７を筐体１１に装着した状態で、通気路ＡＲａの上端は、筐体１１内の空間Ｖ１１（図１参照）に連通し、下端は、インナノズル７１の中間部７１３の外周面と、アウタノズル７２の貫通孔７１１の内周面との間の空間である通気路ＡＲｂに連通する。
通気路ＡＲｂの下端は、先端孔部７２６の内側の空間である外部空間Ｖｇに、リング状の開口部７２ａで連通する。
一方、貫通孔７１１は、上端が筐体１１内の空間Ｖ１１に連通し、下端が外部空間Ｖｇに連通する通気路ＡＲｃとなっている。
従って、図４に示されるように、筐体１１内の空間Ｖ１１は、ノズル７の下方の外部空間Ｖｇに対し、通気路ＡＲｃによる第１通気路ＡＲ１と、通気路ＡＲａ及び通気路ＡＲｂによる第２通気路ＡＲ２とにより連通している。

上述の構造により、筐体１１内に供給されたアシストガスＡＧは、第１通気路ＡＲ１と第２通気路ＡＲ２とに分流して進入する。そして、第１通気路ＡＲ１に進入したガス流は、開口部７１ａから外部に向け第１ガス流ＡＧ１として噴出し、第２通気路ＡＲ２に進入したガス流は、開口部７２ａから外部に向けリング状の第２ガス流ＡＧ２として噴出する。

ノズル７は、内径Ｄ１，Ｄ２及び外径Ｄ３、並びに、距離Ｈ１が次のように設定されている。
＜ノズル７＞
内径Ｄ１＝２．０ｍｍ
内径Ｄ２＝７．０ｍｍ
外径Ｄ３＝６．０ｍｍ
距離Ｈ１＝１．０ｍｍ

次に、ノズル７を用いたレーザ加工方法により、板厚６．０ｍｍの熱間圧延鋼板（ＳＰＨ材）を、レーザ光で切断し、溶解金属の排出量に対応して生じたドロス高さｔを測定し、３つの測定項目で溶解金属排出効果を評価した評価試験について説明する。以下、板厚６．０ｍｍのＳＰＨ材を、ＳＰＨ６．０と記す。他の板厚についても同様の記載とする。

試験として、まず、レーザ加工ヘッド１に供試ノズルを装着し、アシストガスＡＧを所定のガス圧で噴出させながらレーザ光ＬｓをＳＰＨ６．０の板材に照射し、所定の切断経路Ｑで切断する。そして、切断経路Ｑに設定した複数の測定点において、図５（ａ）に示されるように、切断したワークＷの下面Ｗｂに対し下方に突出したドロスの突出距離をドロス高さｔとして測定する。
レーザ加工の設定条件は、次のとおりである。
・加工速度：１００００ｍｍ／ｍｉｎ
・レーザ出力：６０００Ｗ
・周波数：５００Ｈｚ
・デューティ：１００％
・アシストガス：Ｎ_２
・焦点外し量：−０．５ｍｍ

３つの測定項目は、切断経路Ｑにおける直線部に設定した６つの測定点の平均値及び最大値、並びに、切断経路Ｑにおける角部の平均値である。
具体的には、図５（ｂ）に示されるように、ドロス高さｔの測定点は、ワークＷを長方形の切断経路Ｑで切断したときの、直線部における６点と、角部の４点の合計１０点である。直線部の６点については、６点の平均値及び最大値を求め、角部は４点の平均値を求めた。
直線部の６点は、切断経路Ｑにおいて、短辺を２等分する測定点Ｐ３，Ｐ６と長辺を３等分する測定点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６である。最大値は、６点の測定点における最大値である。また角部の４点は、切断経路Ｑの４隅の４箇所の測定点Ｐｅ１〜Ｐｅ４である。

レーザ光ＬｓによるＳＰＨ６．０材の切断を、アシストガスＡＧのガス圧を１ＭＰａ以下とし、生じるドロス高さｔが実用上支障ない大きさとなるよう行う場合、従来、標準ノズルと称するノズルＲ１を用いノズルギャップＨｇを０．５ｍｍ未満にする必要があった。ノズルＲ１の主要寸法は次のとおりである。
＜ノズルＲ１＞
内径Ｄ１＝３．０ｍｍ
内径Ｄ２＝７．０ｍｍ
外径Ｄ３＝４．０ｍｍ
距離Ｈ１＝５．５ｍｍ
以下、アシストガスＡＧのガス圧が１ＭＰａ以下の場合を低ガス圧又は低圧とし、ノズルギャップＨｇが０．５ｍｍ以上の場合、大ノズルギャップとして分類する。

ノズル７は、ノズルＲ１に対し、内径Ｄ１を小さくし、外径Ｄ３を大きくし、距離Ｈ１を小さくしたものである。
内径Ｄ１を小さくすることで、ノズル７の図４に示される開口面積Ｓ１は、ノズルＲ１より小さくなっている。また、内径Ｄ２を維持し外径Ｄ３を大きくしたことで、ノズル７の図４に示される通気路ＡＲ２のリング状の開口面積Ｓ２は、ノズルＲ１より小さくなっている。
尚、ノズル７は、ノズルの開口径に相当するアウタノズル７２の先端孔部７２６の内径Ｄ２がノズルＲ１と同じに維持されている。一方、インナノズル７１の先端面７１４ａの上下位置を規定する距離Ｈ１は、ノズルＲ１に対して短縮されている。

評価試験は、ノズル７に対する比較例として、次に寸法を示すノズル１０１，１０２を用いた切断も行い、それぞれのドロス高さｔを測定した。
〔ノズル１０１〕 〔ノズル１０２〕
内径Ｄ１＝３．０ｍｍ 内径Ｄ１＝３．０ｍｍ
内径Ｄ２＝７．０ｍｍ 内径Ｄ２＝７．０ｍｍ
外径Ｄ３＝５．０ｍｍ 外径Ｄ３＝６．０ｍｍ
距離Ｈ１＝１．０ｍｍ 距離Ｈ１＝１．０ｍｍ
評価は、３つの測定項目のすべてにおいて、ノズルＲ１を用いノズルギャップＨｇを０．６ｍｍとして切断した場合のドロス高さよりも、低いドロス高さとなったノズルを良評価「○」とし、１項目でもドロス高さが高くなったノズルを不適評価「×」とした。

比較例のノズル１０１，１０２は、ノズルＲ１に対し、円形の第１通気路ＡＲ１の開口面積Ｓ１は維持し、リング状の第２通気路ＡＲ２の開口面積Ｓ２のみを小さくするようにインナノズルを形成したものである。
第１通気路ＡＲ１の開口面積Ｓ１の大きさ順は、
ノズルＲ１＝ノズル１０１＝ノズル１０２＞ノズル７
である。
第２通気路ＡＲ２の開口面積Ｓ２の大きさ順は、
ノズルＲ１＞ノズル１０１＞ノズル１０２＝ノズル７
である。

図６は、ドロス高さｔの測定結果を示す。
図６に示されるように、比較例のノズル１０１，１０２は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．７ＭＰａの場合に、角部の平均ドロス高さが、評価基準のノズルＲ１のドロス高さ以上となり不適評価「×」となる。
一方、ノズル７は、３つの評価項目である直線部の６点平均及び最大、並びに、角部の平均のドロス高さ、のすべてにおいて、ドロス高さは小さく、良評価「○」となる。
従って、ノズル７は、アシストガスＡＧのガス圧が低圧でも、ノズルギャップＨｇが大ノズルギャップの０．６ｍｍにおいて、より良好に溶解金属を排出できる。

また、図６に示されるように、各ノズルを用い、ノズルギャップＨｇを同じ０．６ｍｍとし、アシストガスＡＧのガス圧を０．９ＭＰａに高くした場合のドロス高さについても試験を行った。
その結果、ノズル７を用いた場合のドロス高さは、ノズルＲ１を用いた場合のドロス高さに対し、直線部の６点平均で僅かに大きくなったもののほぼ同等程度となる一方、直線部の最大及び角部の平均において、顕著に小さくなり、比較的良好に溶解金属排出ができることがわかる。
このように、ノズル７は、低ガス圧かつ大ノズルギャップの切断加工における溶解金属排出力に関し、評価基準のノズルＲ１、及び比較例のノズル１０１，１０２よりも優位性を有する。

上述のＳＰＨ６．０材における試験で判明した、溶解金属排出力についてのノズル７の優位性が、異なる板厚のＳＰＨ材でも得られるかを評価した。
図７（ａ）は、ノズルＲ１とノズル７とを用いて、ＳＰＨ材の板厚４．５ｍｍを、（ｂ）は板厚９．０ｍｍを切断したときのそれぞれのドロス高さｔを示す。
ノズルＲ１は、ノズルギャップ０．６ｍｍで実用的なドロス高さが得られなかったため、ノズルギャップ０．３ｍｍでのドロス高さを比較のため記載してある。
レーザ加工の設定条件は、次のとおりである。
・加工速度：１００００ｍｍ／ｍｉｎ
・レーザ出力：６０００Ｗ
・周波数：５００Ｈｚ
・デューティ：１００％
・アシストガス：Ｎ_２
・焦点外し量：−０．５ｍｍ〔ＳＰＨ４．５〕
−１．０ｍｍ〔ＳＰＨ９．０〕

図７（ａ）に示されるように、ＳＰＨ４．５材の切断において、ノズル７は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．７ＭＰａの場合、ドロス高さは、全ての評価項目において、ノズルＲ１のノズルギャップＨｇが０．３ｍｍの場合のドロス高さよりも顕著に小さくなり、良評価「○」となる。
また、ノズルギャップＨｇを０．６ｍｍとして維持し、ガス圧を０．９ＭＰａに高くした場合、ノズル７では、角部の平均ドロス高さがノズルＲ１の場合を約３９％超えるものの、直線部の２つの項目はノズルＲ１の場合を下回り、準良評価（「○−」と記す）となる。
従って、ＳＰＨ４．５材についても、ノズル７は、低ガス圧かつ大ノズルギャップの切断における溶解金属排出が比較的良好であることがわかる。

図７（ｂ）に示されるように、ＳＰＨ９．０材の切断において、ノズル７は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．７ＭＰａの場合、ドロス高さは、全ての評価項目において、ノズルＲ１のノズルギャップＨｇが０．３ｍｍの場合のドロス高さよりも顕著に小さくなり、良評価「○」となる。
また、ノズルギャップＨｇを０．６ｍｍとして維持し、ガス圧を０．９ＭＰａに高くした場合、ノズル７では、角部の平均ドロス高さがノズルＲ１の場合を約１４％超えるものの、直線部の２つの項目はノズルＲ１の場合を下回り、準良評価となる。
従って、ＳＰＨ９．０材についても、ノズル７は、低ガス圧かつ大ノズルギャップの切断における溶解金属排出が比較的良好であることがわかる。

以上から、ノズル７は、ＳＰＨ材のレーザ切断において、板厚によらず、アシストガスのガス圧が低圧、かつ大ノズルギャップであっても、ノズルに不具合が生じることなく溶解金属を比較的良好に排出できる。そのため、実用上支障なく有効に用いることができる。

次に、ＳＰＨ材で認められた、ノズル７の低ガス圧かつ大ノズルギャップの切断加工における溶解金属排出の優位性が、異なる他の鋼材でも発揮されるかを、ステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）で評価した。以下、ステンレス鋼板をＳＵＳ材と表記する。
図８（ａ）〜（ｃ）は、それぞれＳＵＳ材の板厚４．０ｍｍ，５．０ｍｍ，６．０ｍｍを切断したときのドロス高さｔを、３つの測定項目で示している。以下、ＳＵＳ材の板厚５．０ｍｍ材を、ＳＵＳ５．０と記す。他の板厚についても同様である。

ノズルＲ１は、ＳＵＳ材においても、ノズルギャップ０．６ｍｍで実用的なドロス高さが得られなかったため、ノズルギャップ０．３ｍｍでのドロス高さを比較のため記載してある。
また、ＳＵＳ材での切断は、アシストガスＡＧのガス圧を、低ガス圧領域の０．６ＭＰａ，０．８ＭＰａとして評価した。
レーザ加工の設定条件は、次のとおりである。
・加工速度：１４０００ｍｍ／ｍｉｎ〔ＳＵＳ４．０〕
１００００ｍｍ／ｍｉｎ〔ＳＵＳ５．０〕
８０００ｍｍ／ｍｉｎ〔ＳＵＳ６．０〕
・レーザ出力：６０００（Ｗ）
・周波数：１０００Ｈｚ〔ＳＵＳ４．０〕
１５００Ｈｚ〔ＳＵＳ５．０〕
５００Ｈｚ〔ＳＵＳ６．０〕
・デューティ：１００％
・アシストガス：Ｎ_２
・焦点外し量：±０．０ｍｍ

図８（ａ）に示されるように、ＳＵＳ４．０材の切断において、ノズル７は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．６ＭＰａの場合、すべての測定項目でノズルＲ１のノズルギャップ０．３ｍｍにおけるドロス高さ以下にはならないものの、実用可能なドロス高さで切断可能であることが確認された。
一方、ノズルギャップＨｇを０．６ｍｍで維持し、ガス圧を０．８ＭＰａに高めた場合は、ドロス高さを実用的な高さに抑えられなかった（不適評価×）。

図８（ｂ）に示されるように、ＳＵＳ５．０材の切断において、ノズル７は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．６ＭＰａ及び０．８ＭＰａの場合、全評価項目でノズルＲ１のノズルギャップ０．３ｍｍにおけるドロス高さ以下にはならない。しかしながら、実用可能なドロス高さで切断できることが確認された。

図８（ｃ）に示されるように、ＳＵＳ６．０材の切断において、ノズル７は、ノズルギャップＨｇが０．６ｍｍでガス圧が０．６ＭＰａの場合、直線部の６点平均ドロス高さが、ノズルＲ１のノズルギャップＨｇが０．３ｍｍの場合を約１９％超える。しかしながら、他の測定項目は、ノズルＲ１のノズルギャップ０．３ｍｍにおけるドロス高さ以下となっており、ノズル７は、ある程度有効に溶解金属排出ができ、実用可能であることがわかる。
一方、ノズルギャップＨｇを０．６ｍｍで維持しガス圧を０．８ＭＰａに高めた場合は、ドロス高さを実用的な高さに抑えられなかった（不適評価×）。

以上のように、ＳＵＳ材を切断する場合も、ノズル７を用い、ガス圧を低ガス圧の範囲内で適切に調整することで、大ノズルギャップにおいてもドロス高さを実用的な高さ内に抑制できる。

図９は、ノズルＲ１，実施例のノズル７，及び比較例のノズル１０１，１０２の、主要寸法及び主要寸法に基づき演算で求められるよう予め設定した評価値を示した表である。
評価値は２種あり、一つは、第２通気路ＡＲ２の開口幅による量であり、詳しくは、開口幅の平均値の２倍の値として２倍幅Δｄ１で規定される。
もう一つは、第２通気路ＡＲ２の内壁の位置を示す外径Ｄ３と第１通気路ＡＲ１の内径Ｄ１との差の半分である距離Δｄ２である。
すなわち、距離Δｄ２は、（内径Ｄ３−内径Ｄ１）／２として規定される。
第１通気路ＡＲ１及び第２通気路ＡＲ２は、レーザ光Ｌｓの光軸に対し、基本的に同芯で形成されるが、僅かであれば意図的にずらして形成してもよい。

２種の評価値において、ノズル７は、２倍幅Δｄ１が１．０ｍｍ、距離Δｄ２が２．０ｍｍのノズルとして規定される。
比較例のノズル１０１，１０２は、２倍幅Δｄ１がそれぞれ２．０ｍｍ，１．０ｍｍであり、距離Δｄ２がそれぞれ１．０ｍｍ，１．５ｍｍである。従って、２倍幅Δｄ１が１．０ｍｍ以下、かつ距離Δｄ２が２．０ｍｍ以上であれば、アシストガスのガス圧が低圧でも、ノズルにスパッタが付着する、或いはノズルがピアス痕と衝突する、などの不具合は生じない、とみなすことができる。
換言するならば、ノズルの第１通気路ＡＲ１の内径Ｄ１を小さくし、第１通気路ＡＲ１と第２通気路ＡＲ２との間の径方向距離（内径Ｄ３−内径Ｄ１）を大きくすると、アシストガスのガス圧が低圧でもノズルに不具合が生じることなく溶解金属を良好に排出できる、という効果が得られる。

実施例のノズル７は、アシストガスＡＧの圧力を１ＭＰａ以下の低ガス圧領域とした上で、ノズルギャップＨｇを０．５ｍｍ以上の大ノズルギャップ領域に設定した場合にも、カーフ内のアシストガスＡＧの流速を高く維持し溶解金属排出を促進できる、という効果が得られるノズルである。
この効果が得られるノズルを、２種の評価値とそれぞれが満たすべき範囲を設定することで、効果が得られにくいノズルと区別するために、２種の評価値とそれぞれが満たすべき範囲を設定した。
実施例のノズル７は、ノズル７の寸法から得られる２種の評価値の両方が、それぞれが満たすべき範囲内にある。

具体的には、実施例のノズル７は、上述のように、第２通気路ＡＲ２の開口幅の平均値の２倍である２倍幅Δｄ１の値が第１の所定値以下であり、距離Δｄ２が第２の所定値以上である。第１の所定値が１．０ｍｍ、第２の所定値が２．０ｍｍである。

そこで、実施例のノズル７、並びに、比較例のノズル１０１及び１０２の３種について、シミュレーションにより、カッティングフロント近傍におけるアシストガスＡＧの流速ｆｒ，密度ρ，及び圧力Ｐｓそれぞれの分布を評価した。
以下、そのシミュレーションの結果を図１０〜図１５を参照して説明する。
図１０は、流速ｆｒの分布を示し、図１１は密度ρの分布を示し、図１２は圧力Ｐｓの分布を示している。
また、図１３は、図１０におけるカッティングフロント下端位置での流速ｆｒのマッハ数を示すグラフであり、図１４は、図１１におけるカッティングフロント下端位置での密度ρの値を示すグラフであり、図１５は、図１２におけるカッティングフロント下端位置での圧力Ｐｓの値を示すグラフである。

図１０（ａ）は、実施例のノズル７の場合、図１０（ｂ）は比較例のノズル１０１の場合、図１０（ｃ）は比較例のノズル１０２の場合のアシストガスＡＧの流速分布が、各ノズルの形状と切断中のワークＷｓ及びカッティングフロント９３と共に示されている。
図１０（ａ）〜（ｃ）において、流速ｆｒは、高速度領域を３段階に分け、それぞれハッチング等で領域判別可能に示してある。
３段階の領域である第１〜第３領域は次の流速に対応している。
第１領域ｆｒ１：５１２≦ｆｒ
第２領域ｆｒ２：４４８≦ｆｒ＜５１２
第３領域ｆｒ３：３８４≦ｆｒ＜４４８
単位はｍ／ｓである。
図１０（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、カッティングフロント９３の下端位置でのノズル中心から加工方向（Ｘ軸方向）の後方側５ｍｍ（−５ｍｍ）の範囲において、アシストガスＡＧの流速はマッハ１．５以上であることが確認された。

図１１（ａ）は実施例のノズル７の場合、図１１（ｂ）は比較例のノズル１０１の場合、図１１（ｃ）は比較例のノズル１０２の場合のアシストガスＡＧの密度分布が、切断中のワークＷｓ及びカッティングフロント９３と共に示されている。
図１１（ａ）〜（ｃ）において、密度ρは、高密度領域を３段階に分け、それぞれハッチング等で領域判別可能に示してある。
３段階の領域である第１〜第３領域は次の密度に対応している。
第１領域ρ１：４．５０≦ρ
第２領域ρ２：３．６５≦ρ＜４．５０
第３領域ρ３：３．２０≦ρ＜３．６５
単位はｋｇ／ｍ^３である。

図１２（ａ）は実施例のノズル７の場合、図１２（ｂ）は比較例のノズル１０１の場合、図１２（ｃ）は比較例のノズル１０２の場合のアシストガスＡＧの圧力分布が、切断中のワークＷｓ及びカッティングフロント９３と共に示されている。
図１２（ａ）〜（ｃ）において、圧力Ｐｓは、圧力領域を３段階に分け、それぞれハッチング等で領域判別可能に示してある。
３段階の領域である第１〜第３領域は次の圧力に対応している。
第１領域Ｐｓ１：０．３８０≦Ｐｓ
第２領域Ｐｓ２：０．２８０≦Ｐｓ＜０．３８０
第３領域Ｐｓ３：０．２４０≦Ｐｓ＜０．２８０
単位はＭＰａである。

図１０に示されるように、流速分布のシミュレーション結果において、ノズル７及びノズル１０１，１０２のいずれにおいても、カッティングフロント９３の左側の領域であるカーフ内でアシストガスの流れに剥離は生じていないことが確認される。
また、カッティングフロント９３の下端部を含む全体で音速以上となる高速の流速が確保されていることが確認される。
これにより、レーザ光の照射で溶融した金属は、アシストガスＡＧの流速が音速以上の高速になっていることから良好にカーフ外へ排出される。

図１１に示されるように、密度分布のシミュレーション結果において、実施例のノズル７は、カーフとなるカッティングフロント９３の左側の領域において、第１領域ρ１〜第３領域ρ３がノズル７側となる上部のみに偏って分布している。
一方、比較例のノズル１０１，１０２では、第１領域ρ１〜第３領域ρ３は、上部から上下方向の中央部まで延びており、実施例とは明らかに異なる分布となっている。

また、図１２に示されるように、圧力分布のシミュレーション結果において、実施例のノズル７は、カーフにおいて、第１領域ρ１〜第３領域ρ３がノズル７側となる上部のみに偏って分布している。
一方、比較例のノズル１０１では、第１領域Ｐｓ１〜第３領域Ｐｓ３は上部から上下方向の中央部まで延びており、ノズル１０２では、第１領域Ｐｓ１〜第３領域Ｐｓ３はノズル１０１の場合ほど中央部まで延びてないものの、ノズル７よりは下方に延びて分布している。すなわち、圧力分布においても、実施例のノズル７の分布は比較例のノズル１０１，１０２の分布とは明らかに異なっている。

図１３〜図１５は、それぞれ図１０〜図１２におけるカッティングフロント９３の下端部におけるノズルの中心から加工方向後方側に５ｍｍ離れた位置Ｐｆ１〔Ｘ軸方向−５ｍｍの位置：図１０（ａ）参照〕までの範囲の流速ｆｒ，密度ρ，圧力Ｐｓを示すグラフである。

図１３に示されるように、流速ｆｒは、ノズル７，１０１，１０２のいずれにおいても、カッティングフロント９３の下端位置のノズル中心（０ｍｍ）で少なくともマッハ数で１．５以上の高速であることが確認される。
図１４に示されるように、密度ρは、カッティングフロント９３の下端位置のノズル中心（０ｍｍ）において、最小となるノズル７は２．１ｋｇ／ｍ^３であり、第２位のノズル１０１は２．２ｋｇ／ｍ^３であることが確認される。
図１５に示されるように、圧力Ｐｓは、カッティングフロント９３の下端位置のノズル中心（０ｍｍ）において、最小となるノズル７は０．１３０ＭＰａであり、第２のノズル１０２は、０．１３４ＭＰａである。

これらの結果から、ノズル７は、カッティングフロント９３の下端位置のノズル中心（０ｍｍ）位置で、流速ｆｒがマッハ数で１．５以上、密度ρが２．１ｋｇ／ｍ^３以下、圧力Ｐｓが０．１３０以下、の各範囲を満たすものとなっている。

このように、ノズル７を用いた場合、ノズル１０１，１０２を用いた場合よりもカーフ内におけるアシストガスＡＧの密度ρ及び圧力Ｐｓが低いことが確認される。これにより、レーザ光の照射に起因するプラズマの発生が抑制されて切断部位へ照射されたレーザ光のエネルギは切断部位の金属に高効率で吸収され、溶融した金属の粘度が低く維持される。これにより、溶解金属の排出が容易になりドロス高さが低くなる。

ノズル７を用いることで、ノズル１０１，１０２を用いた場合よりもカーフ内のアシストガスＡＧの密度及び圧力を低くできる要因として、次のことが考えられる。すなわち、ノズル７は、第２通気路ＡＲ２を形成する外側の壁の位置を示す内径Ｄ２がノズル１０１，１０２と同じ値である。さらに、ノズル７は、第１通気路ＡＲ１の流路面積と第２通気路ＡＲ２の流路面積との合計流路面積がノズル１０１，１０２よりも小さい。

レーザ切断加工では、切断材料の厚みが厚い場合にも良好に切断できるように、アシストガスＡＧの噴射範囲は標準ノズルＲ１と同等に大きいことが望まれる。
一方で、上述のように、カーフ内のアシストガスＡＧの密度及び圧力を低くしプラズマ発生を抑制して、切断部位の金属へのエネルギ吸収効率を向上させることも望まれる。

そのため、ノズル７は、標準ノズルＲ１に対し、第２通気路ＡＲ２の外壁の内径Ｄ２は同じとし、第２通気路ＡＲ２の内壁の外径Ｄ３を大きくしてある。
これにより、アシストガスＡＧの噴射範囲を大きく維持すると共にカーフ内のアシストガスＡＧの圧力Ｐｓ及び密度ρの抑制を促している。
また、ノズル７は、さらに、標準ノズルＲ１に対し、第１通気路ＡＲ１の内径Ｄ１を小さくしてある。
これにより、カーフ内の、特にカッティングフロント９３に沿う空間におけるアシストガスＡＧの圧力Ｐｓ及び密度ρを直接的に抑制している。

このようにして、ノズル７は、レーザ切断加工中のカッティングフロントの下端位置で、噴出した前記アシストガスの、流速，密度，及び圧力を、それぞれ同時に、音速以上，２．１ｋｇ／ｍ^３以下，及び０．１３ＭＰａ以下にできる。これにより、ノズル７は、厚い板材も良好に切断可能であって、アシストガスのガス圧が低圧でもレーザ加工用ノズルに不具合が生じることなく溶解金属を良好に排出できるものとなっている。

一般に、切断するワークＷの厚さが大きいほどノズル径の大きいノズルを用いて切断を行う。ここでノズル径は、レーザ光又はアシストガスが射出する孔の最大内径を意味する。ダブルノズルタイプのノズルにおいて、ノズル径はアウタノズル７２の内径Ｄ２に対応する。
そこで、ワークＷの厚さが大きい場合に適用され得る、上述のノズル７（内径Ｄ２＝７．０ｍｍ）よりも内径Ｄ２が大きいノズルにおいて、ドロス高さが良評価となる内径Ｄ１及び外径Ｄ３の組み合わせが得られるか否かを切断実験により確認した。
その結果、内径Ｄ２が７．０ｍｍよりも大きいノズルでも、ドロス高さが良評価となる内径Ｄ１及び外径Ｄ３の組み合わせが、ある特定の条件の下で得られることを明らかにしたので、次に説明する。

図１６は、切断実験に供した供試番号１〜１７の１７種類のノズルの代表寸法を示す表である。１７種類の内訳は、内径Ｄ２が７．０ｍｍ，１０．０ｍｍ，及び１３．０ｍｍで、それぞれ内径Ｄ１及び外径Ｄ３の組み合わせが異なる４種，４種，及び９種である。
ノズル７に対して内径Ｄ２が大きく、ドロス高さにおいて良評価が得られるノズルの例として、供試番号７のノズル７Ａ及び供試番号１５のノズル７Ｂを説明する。既述のノズル７は、供試番号１である。
一方、良評価が得られなかった比較例として、供試番号１３のノズル７７１及び供試番号１４のノズル７７２を説明する。

図１７は、実施例としてのノズル７，７Ａ，７Ｂと、比較例としてのノズル７７１，７７２との主要寸法及びそれぞれの評価結果（良評価「〇」、不適評価「×」）を示した表である。
図１７は、内径Ｄ１，内径Ｄ２，外径Ｄ３，及び距離Ｈ１に加えて、図９を参照して説明した距離Δｄ２と、２倍幅Δｄ１の半分の幅Δｄ３とが示されている。

切断実験は、供試番号１〜１７のノズルを順にレーザ加工ヘッド１に装着し、それぞれのノズルにおいて、アシストガスＡＧを所定のガス圧で噴出させながらレーザ光ＬｓをＳＰＨ６．０の板材に照射して所定の切断経路Ｑで切断する。そして、切断経路Ｑに設定した複数の測定点において、図５（ａ）に示されるように、切断したワークＷの下面Ｗｂに対し下方に突出したドロスの突出距離をドロス高さｔとして測定する。
レーザ加工の設定条件は、次のとおりである。
・加工速度：１００００ｍｍ／ｍｉｎ
・レーザ出力：６０００Ｗ
・周波数：５００Ｈｚ
・デューティ：１００％
・アシストガス：Ｎ_２
・焦点外し量：−０．５ｍｍ

図１８は、図１７に示された各供試ノズルについて、内径Ｄ２と、内径Ｄ１及び外径Ｄ３との関係を示したグラフである。
具体的には、図１８において、グラフの横軸を内径Ｄ２の線形軸として設定し、縦軸を寸法（ｍｍ）の線形軸として設定して内径Ｄ１，外径Ｄ３の値をプロットしている。
また、比較例であるノズル７７１，７７２については、内径Ｄ２がノズル７Ｂと同じ１３．０（ｍｍ）であることから、本来ノズル７Ｂと同じ３（ｍｍ）の位置に記載すべきところ、描画の重複を避けるためにノズル７Ｂとは分けて右方に独立して記載してある。

図１８から明らかなように、良評価「〇」となったノズル７，７Ａ，７Ｂの内径Ｄ１，内径Ｄ２，外径Ｄ３は、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）＝（ｘ、ｙ）としたときに、
ｙ＝（１／３）ｘ−１／３ （式１）
を満たし、（内径Ｄ２，外径Ｄ３）＝（ｘ，ｙ）としたときに、
ｙ＝（２／３）ｘ＋４／３ （式２）
を満たしている。
すなわち、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）及び（内径Ｄ２，外径Ｄ３）の組み合わせをそれぞれ（ｘ、ｙ）としたときに、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）及び（内径Ｄ２，外径Ｄ３）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となっている。

これに対し、不適評価「×」となった比較例のノズル７７１，７７２のうち、ノズル７７１は、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）が（１３．０，３．０）であって（式１）を満たさず、（内径Ｄ２，外径Ｄ３）が（１３．０，１１．０）であって（式２）を満たしていない。
また、ノズル７７２は、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）が（１３．０，３．０）であって（式１）を満たさず、（内径Ｄ２，外径Ｄ３）が（１３．０，１２．０）であって（式２）を満たしていない。

ノズル７７１，７７２以外の、図１６に示される評価が不適評価「×」となった供試番号２〜６，８〜１２，１６，及び１７のノズルも、（式１）及び（式２）の両方を満たしていない。すなわち、不適評価「×」のノズルは、（内径Ｄ２，内径Ｄ１）及び（内径Ｄ２，外径Ｄ３）の組の少なくとも一方が、その一方に対応する（式１）及び（式２）の一方を満たしていない。

ノズル７，７Ａ，７Ｂ及び比較例のノズル７７１，７７２の５種について、シミュレーションにより、カッティングフロント９３の近傍におけるアシストガスＡＧの流速ｆｒ，密度ρ，温度ｔｍ，及び圧力Ｐｓそれぞれの分布を求め評価した。以下、そのシミュレーションの結果を図１９〜図２６を参照して説明する。

図１９及び図２０は、流速ｆｒの分布を示し、図２１及び図２２は、密度ρの分布を示し、図２３及び図２４は、温度ｔｍの分布を示し、図２５及び図２６は、圧力Ｐｓの分布を示している。それらのうち、図１９，図２１，図２３，及び図２５において、（ａ）はノズル７，（ｂ）はノズル７Ａ，（ｃ）はノズル７Ｂの結果である。また、図２０，図２２，図２４，及び図２６において、（ａ）はノズル７７１，（ｂ）はノズル７７２の結果である。

（流速ｆｒについて）
流速ｆｒのシミュレーション結果の評価において、高速度領域の３段階の区分けのうち、第１領域ｆｒ１及び第２領域ｆｒ２との境界値を図１０で説明した値に対して変更してある。

図１９（ａ）〜（ｃ）に示される、良評価を得たノズル７，７Ａ，７Ｂにおいて、カッティングフロント９３の近傍の大部分が、第３領域ｆｒ３或いはそれ以下の流速となっている。
これに対し、図２０（ａ），（ｂ）に示される、不適評価となった比較例のノズル７７１，７７２では、カッティングフロント９３の近傍には第２領域ｆｒ２が広範囲に出現して、アシストガスＡＧの流れが高速化していることがわかる。

（密度ρについて）
密度ρのシミュレーション結果の評価では、密度領域を４段階の第１領域ρ１１〜第４領域ρ１４に分け、図２１（ａ）〜（ｃ）及び図２２（ａ），（ｂ）それぞれにおいてハッチング等で領域判別可能に示してある。第１領域ρ１１〜第４領域ρ１４は次の密度に対応している。
第１領域ρ１１：４．５≦ρ
第２領域ρ１２：３．５≦ρ＜４．５
第３領域ρ１３：２．０≦ρ＜３．５
第４領域ρ１４：ρ＜２．０
単位はｋｇ／ｍ^３である。
図２１では第１ρ１１〜第３領域ρ１３が表示され、図２２は第１領域ρ１１〜第４領域ρ１４が表示されている。

図２１（ａ）〜（ｃ）に示される、良評価を得たノズル７，７Ａ，７Ｂにおいて、カッティングフロント９３の近傍の大部分が、第３領域ρ１３以上の密度となっている。
これに対し、図２２（ａ），（ｂ）に示される、不適評価となった比較例のノズル７７１，７７２では、カッティングフロント９３の近傍に第２領域よりも低密度の第４領域ρ１４が出現して、アシストガスＡＧの流れが低密度化していることがわかる。

（温度ｔｍについて）
温度ｔｍのシミュレーション結果の評価では、温度領域を３段階の第１領域ｔｍ１〜第３領域ｔｍ３に分け、図２３（ａ）〜（ｃ）及び図２４（ａ），（ｂ）それぞれにおいてハッチング等で領域判別可能に示してある。第１領域ｔｍ１〜第３領域ｔｍ３は次の温度に対応している。
第１領域ｔｍ１：２０．５≦ｔｍ
第２領域ｔｍ２：−５５．５≦ρ＜２０．５
第３領域ｔｍ３：−８４．０≦ρ＜−５５．５
単位は℃である。

図２３（ａ）〜（ｃ）に示される、良評価を得たノズル７，７Ａ，７Ｂにおけるカッティングフロント９３の近傍は、主として第２領域ｔｍ２及び第３領域ｔｍ３で占められている。また、図２４（ａ），（ｂ）に示される不適評価となった比較例のノズル７７１，７７２でも、カッティングフロント９３の近傍は、主として第２領域ｔｍ２及び第３領域ｔｍ３で占められている。
ここで、それぞれの、カッティングフロント９３の近傍の第２領域ｔｍ２と第３領域ｔｍ３との範囲の差に着目すると、図２４（ａ），（ｂ）に示される不適評価を得た比較例のノズル７７１，７７２の方が、ノズル７，７Ａ，７Ｂよりもカッティングフロント９３の近傍の第３領域ｔｍ３が占める範囲が広い。
すなわち、ノズル７，７Ａ，７Ｂよりもノズル７７１，７７２の方が、カッティングフロント９３の近傍のアシストガスＡＧの流れは低温化していることがわかる。

（圧力Ｐｓについて）
圧力Ｐｓのシミュレーション結果の評価では、圧力領域を４段階の第１領域Ｐｓ１１〜第４領域Ｐｓ１４に分け、図２５（ａ）〜（ｃ）及び図２６（ａ），（ｂ）においてそれぞれハッチング等で領域判別可能に示してある。
３段階の領域である第１領域Ｐｓ１１〜第３領域Ｐｓ１３は次の圧力に対応している。
第１領域Ｐｓ１１：０．２５≦Ｐｓ
第２領域Ｐｓ１２：０．１５≦Ｐｓ＜０．２５
第３領域Ｐｓ１３：０．０９≦Ｐｓ＜０．１５
第４領域Ｐｓ１４：Ｐｓ＜０．０９
単位はＭＰａある。

図２５（ａ）〜（ｃ）に示される、良評価を得たノズル７，７Ａ，７Ｂにおけるカッティングフロント９３の近傍は、ノズル７Ａ，７Ｂの図２５（ｂ），（ｃ）において第４領域Ｐｓ４が半分以下の範囲で出現している程度である。
これに対し、図２６（ａ）,（ｂ）に示される、不適評価となった比較例のノズル７７１，７７２では、カッティングフロント９３の近傍の第４領域Ｐｓ１４の範囲は、図２５（ｂ），（ｃ）のノズル７Ａ，７Ｂよりも顕著に大きく、カッティングフロント９３近傍の大部分の範囲に出現しており、低圧化していることがわかる。

以上から、ノズル７７１，７７２を用いたレーザ切断加工では、カッティングフロント９３近傍におけるアシストガスＡＧの流れが、ノズル７，７Ａ，７Ｂを用いた場合よりも、高速，低密度，低温，かつ低圧となっている。
主要寸法においてノズル７７１，７７２は、ノズル７Ｂに対し、第１通気路ＡＲ１の内径Ｄ２が同じであるものの、第２通気路ＡＲ２の径方向の隙間距離である幅Δｄ３がノズル７Ｂよりも小さい。換言するならば、ノズル７７１，７７２は、第２通気路ＡＲ２と第１通気路ＡＲ１との間の径方向距離である距離Δｄ２が、ノズル７Ｂよりも大きい。

この寸法的態様とシミュレーション結果とを照合すると、ノズル７７１，７７２では、幅Δｄ３が小さいことにより、アシストガス供給装置３からノズル７Ｂの場合と同じ条件でレーザ加工ヘッド１に供給されたアシストガスＡＧの第２通気路ＡＲ２から噴出する第２ガス流ＡＧ２の流速が上昇する。
これにより、カッティングフロント９３において、アシストガスＡＧがレーザ光の照射により溶融している金属から奪う熱量が増加し、溶解金属の温度がノズル７Ｂの場合よりも低くなる。
その結果、アシストガスＡＧの流速上昇に伴う溶解金属の排出促進効果よりも、溶解金属属の温度低下に伴う粘度上昇が勝って溶解金属の排出が滞る。そのため、ドロスの高さが抑制されにくくなる、と推察される。

上述の切断実験、並びに、シミュレーションの結果及び評価から、切断加工においてドロスの高さを良好に抑制できるダブルノズルタイプのノズルについて、次の関係のあることが明らかになった。

従来、加工するワークの厚さの大小に応じて、いわゆるノズル径と称されるアウタノズル７２の内径Ｄ２も大小となるノズルを用いて切断加工を行うことが好ましいことが把握されている。
そのため、内径Ｄ２の異なる複数のノズルで構成されたレーザ加工用ノズル群をあらかじめ用意しておき、加工するワーク厚さに応じて良好にドロスの高さを抑制できるノズルを選択して加工を実行することが行われている。
しかしながら、従来、ノズル群の寸法関係に法則性は見出されてなかったため、経験などに基づいて内径Ｄ１，内径Ｄ２，外径Ｄ３の組を設定しノズル群を構築していた。

これに対し、上述の切断実験及びシミュレーションによって次のことが明らかになった。すなわち、ノズル群を構成する内径Ｄ２が異なる複数のノズルは、他のノズルよりも内径Ｄ２が大きいノズルの内径Ｄ１及び外径Ｄ３が他のノズルの内径Ｄ１及び外径Ｄ３よりも大きく、内径Ｄ１，内径Ｄ２，及び外径Ｄ３は、次の（１）及び（２）の関係を両方とも満たす組み合わせとするとよい。
（１） （内径Ｄ２，内径Ｄ１）＝（ｘ、ｙ）としたときに、ｙがｘの１次関数となること。図１７に示される数値に関しては（式１）である。
（２） （内径Ｄ２，外径Ｄ３）＝（ｘ，ｙ）としたときに、ｙがｘの１次関数となること。図１７に示される数値に関しては（式２）である。

また、これらの関係に基づいて、次の（３）及び（４）が導き出される。
（３）図１７に示される、第２通気路ＡＲ２の径方向の隙間距離である幅Δｄ３について、（内径Ｄ２，幅Δｄ３）＝（ｘ、ｙ）としたときに、ｙはｘの１次関数となる。図１７に示される具体的に数値に関しては、図１８に示されるように、
ｙ＝（１／６）ｘ−２／３ （式３）
を満たす。

（４）図１７に示される、第２通気路ＡＲ２と第１通気路ＡＲ１との間の径方向距離である距離Δｄ２について、（内径Ｄ２，距離Δｄ２）＝（ｘ、ｙ）としたときに、ｙはｘの１次関数となる。図１７に示される具体的に数値に関しては、図１８に示されるように、
ｙ＝（１／６）ｘ＋５／６ （式４）
を満たす。

すなわち、（内径Ｄ２，幅Δｄ３）及び（内径Ｄ２，距離Δｄ２）の組み合わせをそれぞれ（ｘ、ｙ）としたときに、（内径Ｄ２，幅Δｄ３）及び（内径Ｄ２，距離Δｄ２）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となるようにする。
（３），（４）は、（１）、（２）の関係から変数の減算により自ずと導きだされるので実質的に等価である。
従って、ノズル群を構成する複数のノズルは、上記の（１）及び（２）を満たすように、或いは、上記の（３）及び（４）を満たすように製作するとよい。

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。
図１７において、アウタノズル７２のインナノズル７１に対する段差となる距離Ｈ１を、１．０（ｍｍ）で一定としたが、これは限定されるものではない。
ワークＷの上面Ｗａにおいて、第１通気路ＡＲ１から噴出する第１ガス流ＡＧ１と、第２通気路ＡＲ２から噴出する第２ガス流ＡＧ２とが混合されるようになっていればよい。

１ レーザ加工ヘッド
１１ 筐体
１１ａ 雌ねじ部
１１ｂ 下端面
１２ コリメーションレンズ
１３ ベンドミラー
１４ 集束レンズ
１４ａ 集束レンズ駆動部
１５ ノズルギャップ計測部
２ レーザ発振器
２１ プロセスファイバ
２１ａ カプラ
３ アシストガス供給装置
４ 駆動部
５ 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）
７１ インナノズル
７１ａ 開口部
７１１ 貫通孔
７１１ａ 上方孔部
７１１ｂ 下方孔部
７１２ 係合部
７１２ａ 雄ねじ部
７１３ 中間部
７１４ 先端部
７１４ａ 先端面
７１６ 切り込み部
７２ アウタノズル
７２ａ 開口部
７２ｂ 先端面
７２１ フランジ部
７２２ 傾斜部
７２３ 貫通孔
７２３ａ 雌ねじ部
７２４ 基本孔部
７２５ 中間孔部
７２６ 先端孔部
７２７ 装着部
７２７ａ 雄ねじ部
１０１，１０２ ノズル
ＡＧ アシストガス
ＡＧ１ 第１ガス流
ＡＧ２ 第２ガス流
ＡＲａ，ＡＲｂ，ＡＲｃ 通気路
ＡＲ１ 第１通気路
ＡＲ２ 第２通気路
Ｄ１，Ｄ２ 内径
Ｄ３ 外径
ｆｒ 流速
Ｈｇ ノズルギャップ
Ｈ１ 距離
Ｌｓａ，Ｌｓ レーザ光
Ｐｓ 圧力
Ｐ１〜Ｐ６，Ｐｅ１〜Ｐｅ４ 測定点
Ｐｆ１ 位置
Ｑ 切断経路
Ｒ１ ノズル
Ｒｔ１ 噴出面積比
Ｒｔ２ 第２噴出幅比
Ｓ１，Ｓ２ 開口面積
ｔ ドロス高さ
ｔｍ 温度
Ｖｇ 外部空間
Ｖ１１ 空間
Ｗ ワーク
Ｗａ 上面
Ｗｂ 下面
Δｄ１ ２倍幅
Δｄ２ 距離
Δｄ３ 幅
ρ 密度

Claims (5)

1. 第１通気路としての第１貫通孔を有する管状のインナノズルと、
   前記インナノズルが挿着される第２貫通孔と、第１の端部に形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着される装着部と、を有する管状のアウタノズルと、
   を備え、
   前記インナノズルは、前記第２貫通孔内に挿着された状態で、前記インナノズルの外周面と前記第２貫通孔の内周面との間にリング状の第２通気路が形成されると共に、前記インナノズルは、前記第１の端部の反対側となる第２の端部の側の先端面が前記アウタノズルの前記第２の端部の側の先端面よりも軸方向の内側に位置しており、
   前記第１通気路及び前記第２通気路からアシストガスを噴出させると共に前記第１通気路からレーザ光を射出してワークを切断加工するレーザ加工において、カッティングフロントの下端位置で、噴出した前記アシストガスの、流速，密度，及び圧力を、それぞれ音速以上，２．１ｋｇ／ｍ^３以下，及び０．１３ＭＰａ以下にできるレーザ加工用ノズル。
2. 請求項１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を３次元に移動させる駆動部と、
   前記レーザ加工ヘッドにレーザ光を供給するレーザ発振器と、
   前記レーザ加工ヘッドにアシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
   ノズルギャップを計測するノズルギャップ計測部と、
   前記ノズルギャップ計測部で計測したノズルギャップに基づいて前記駆動部の動作を制御する制御部と、
   を備えたレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置を用い、
   前記アシストガスのガス圧を１ＭＰａ以下、かつ前記ノズルギャップを０．５ｍｍ以上にして、前記レーザ光により熱間圧延鋼板又はステンレス鋼板を切断することを特徴とするレーザ加工方法。
4. ノズル径の異なる複数のノズルの組として構成され、
   各前記ノズルはレーザ光及びアシストガスを射出する貫通孔を有するインナノズルと、前記インナノズルとの間に前記アシストガスを射出するリング状の開口部を形成するアウタノズルとを有し、
   前記インナノズルの先端部の外径をＤ３とし、前記貫通孔の内径をＤ１とし、前記アウタノズルの内径を前記ノズル径としてＤ２として、（Ｄ２，Ｄ１）及び（Ｄ２，Ｄ３）の組み合わせをそれぞれ（ｘ、ｙ）としたときに、
   （Ｄ２，Ｄ１）及び（Ｄ２，Ｄ３）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となっていることを特徴とするレーザ加工用ノズル群。
5. ノズル径の異なる複数のノズルの組として構成され、
   各前記ノズルはレーザ光及びアシストガスを射出する貫通孔を有するインナノズルと、前記インナノズルとの間に前記アシストガスを射出するリング状の開口部を形成するアウタノズルとを有し、
   前記インナノズルの先端部の外径をＤ３とし、前記貫通孔の内径をＤ１とし、前記アウタノズルの内径を前記ノズル径としてＤ２とし、
   Δｄ２を（Ｄ３−Ｄ１）／２、Δｄ３を（Ｄ２−Ｄ３）／２として、（Ｄ２，Δｄ２）及び（Ｄ２，Δｄ３）の組み合わせをそれぞれ（ｘ，ｙ）としたときに、
   （Ｄ２，Δｄ２）及び（Ｄ２，Δｄ３）の組み合わせのいずれにおいても、ｙがｘの一次関数となっていることを特徴とするレーザ加工用ノズル群。

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