JP2729019B2 - レーザ切断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、厚肉の金属材料の切断
に好適に実施されるレーザ切断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的な従来技術のレーザ切断方法は特
開平１−９５８９０に示されており、図５はその従来技
術の切断方法を用いたレーザ切断装置１の断面図であ
る。このレーザ切断装置１は、大略的に、レーザ発振器
２と、加工ヘッド３とを備えて構成されている。加工ヘ
ッド３は、筒状のケーシング４を有し、前記レーザ発振
器２からのレーザ光が入射される入射口５から出射口６
側になるにつれてノズル状に絞り込まれて形成される。
このケーシング４の前記入射口５付近には凸状の集光レ
ンズ７が設けられており、この集光レンズ７によって規
定されたケーシング４内の空間８には、管路９を介して
ガス供給源１０から高圧のアシストガスが供給される。

【０００３】入射口５から入射されたレーザ光は、集光
レンズ７によって出射口６付近で合焦され、たとえば
０．３〜０．４ｍｍ程度のスポット径に絞込まれてワー
ク１２に照射される。このとき、前記出射口６からはま
たワーク１２へ向けて高圧のアシストガスが噴射され
る。これによって、溶融したドロスは該アシストガスに
よって飛散されて、切断面が清浄に保たれる。

【０００４】なお、前記アシストガスには、ワーク１２
が鉄であるときには酸素ガスが用いられ、したがってレ
ーザ光の照射による熱とともに、鉄の酸化反応によって
発生する熱を利用して、ワーク１２が厚肉であっても、
その切断が可能となる。

【０００５】図６は、他の従来技術のレーザ切断装置１
１の断面図であり、前述のレーザ切断装置１に類似し、
対応する部分には同一の参照符を付す。このレーザ切断
装置１１の加工ヘッド１３は、略Ｌ字状に形成され、そ
の屈曲部付近には前記集光レンズ７に代えて、凹面鏡で
実現される集光ミラー１７が配置されている。またこの
加工ヘッド１３内には、出射口６からワーク１２へ向け
て高圧ガスを噴射させることを可能とする圧力隔壁の役
割を果たすために、レーザ光を透過させることができる
透過素子が、参照符１４ａまたは１４ｂの少なくともい
ずれか一方で示されるように、レーザ光の光経路に介在
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術では、
ワーク１２上のレーザ光の焦点へ向けて、該レーザ光と
同軸にアシストガスを噴射可能とするために、加工ヘッ
ド３，１３内に空間８を形成する必要があり、したがっ
てこの空間８を規定するために、圧力隔壁としての機能
を備える集光レンズ７または透過素子１４ａ，１４ｂを
介在する必要がある。

【０００７】したがって、ＺｎＳｅなどから成るこれら
の集光レンズ７および透過素子１４ａ，１４ｂをレーザ
光が通過することによって発生する熱を冷却するための
構成が必要となり、またその冷却能力などの観点から、
ワーク１２に照射することができるレーザ光のパワー
は、たとえば３ｋＷ程度である。これに対して、レーザ
発振器２は、たとえばＣＯ₂ レーザであり、現在得られ
るその最大出力は、たとえば４５ｋＷ以上である。した
がって、このような大出力のレーザ発振器を用いて肉厚
の厚いワークの切断を行おうとしても、上述のような冷
却面などの問題から不可能であった。

【０００８】本発明の目的は、より大きなパワーのレー
ザ光をワークに照射することができるレーザ切断装置を
提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ発振器
から出力されたレーザ光を集光する集光手段と、前記集
光手段の焦点付近において、集光手段よりもレーザ光の
下流側に配置されるアシストガス噴射手段であって、こ
のアシストガス噴射手段は、ノズルを有し、このノズル
は、レーザ光の光軸に一致する中心を有する環状に配置
され、ノズルからレーザ光の焦点へ向けてアシストガス
を噴射するアシストガス噴射手段と、前記ノズルに、ワ
ークと酸化反応し、かつ溶融したドロスを切断面から飛
散させるアシストガスを供給するガス供給源と、前記ア
シストガス噴射手段よりも前記照射方向の上流側に、前
記照射方向とは反対方向にシールドガスを噴射するシー
ルドガス噴射手段とを含むことを特徴とするレーザ切断
装置である。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【作用】本発明に従えば、レーザ発振器から出力された
レーザ光を集光手段で集光し、該集光手段の焦点に配置
されたワークに照射するにあたって、アシストガス噴射
手段が、集光手段の焦点付近において集光手段よりもレ
ーザ光の下流側に配置される。ノズルは、レーザ光の光
軸に一致する中心を有する環状に配置され、このノズル
からレーザ光の焦点へ向けてアシストガスが、ガス供給
源から供給されて噴射される。これによってアシストガ
スは、ワークと酸化反応し、かつ溶融したドロスを切断
面から飛散させる。たとえば、前記アシストガス噴射手
段は、前記光軸を囲むように環状に形成された管体から
成り、該管体の外周面においてワーク側の面に無端環状
のスリットが形成されて構成される。

【００１３】したがって、アシストガスをレーザ光と同
軸でワークへ向けて噴射するにあたって、集光手段が設
けられる加工ヘッドに、従来技術で述べたようなアシス
トガスの流路となる空間を形成する必要がなくなる。こ
れによって、レーザ光の光経路に介在しても発熱の少な
い凹面鏡を集光手段として用い、しかも前記光経路には
この集光手段のみを介在させるだけでよく、レーザ発振
器のパワーを大きくして肉厚の厚いワークの切断が可能
となる。

【００１４】また本発明に従えば、前記アシストガス噴
射手段よりも前記照射方向の上流側、すなわち集光手段
側にシールドガス噴射手段を設け、このシールドガス噴
射手段から前記照射方向とは反対方向に、前記酸素ガス
などで実現されるシールドガスを噴射するようにしてお
く。これによって、前記アシストガスへの周囲の空気の
混入を抑えて、該アシストガスの純度を高い値で維持
し、切断面の燃焼むらなどによる切断品質の低下を防止
することができる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の前提となるレーザ切断装置
２１の断面図である。このレーザ切断装置２１は、大略
的に、レーザ発振器２２と、加工ヘッド２３と、ノズル
２４とを備えて構成されている。加工ヘッド２３へは、
レーザ発振器２２から出力されたレーザ光が、導波路２
５を介して入力される。加工ヘッド２３は、筒体が略Ｌ
字状に屈曲されて形成されるケーシング２６を有し、そ
のケーシング２６の屈曲部付近には、集光手段である凹
面鏡２７が設けられている。前記導波路２５を介して加
工ヘッド２３に入力されたレーザ光は、入射口２８から
前記凹面鏡２７に入射し、集光されて出射口２９から出
力される。レーザ光の焦点付近には、ノズル２４が設け
られている。

【００１６】図２は、ノズル２４を図１の切断面線Ａ−
Ａから見た断面図である。この図２および前述の図１を
参照して、ノズル２４は、本体３１と接続部３２とから
構成されており、接続部３２は管路３３を介してガス供
給源３４に接続されている。前記本体３１は、大略的
に、環状の管体の外周面において、ワーク３５に対向す
る面に無端環状のスリット３６が形成されて構成されて
いる。

【００１７】したがって、前記ガス供給源３４から供給
される高圧のアシストガスは、接続部３２から本体３１
に流入し、スリット３６からワーク３５へ向けて噴射さ
れる。前記ノズル２４は、環状の本体３１の中心が参照
符３７で示されるレーザ光の光軸に一致するように配置
されており、こうして凹面鏡２７で集光されたレーザ光
のワーク３５上での焦点へ向けて、前記光軸３７のまわ
りからアシストガスが噴射され、溶融したドロスを切断
面から飛散させ、切断品質の向上が図られる。

【００１８】なお、前記アシストガスには、ワーク３５
が鉄であるときには酸素が用いられ、したがってレーザ
光の照射による熱と、鉄の酸化反応による熱とを利用し
てワーク３５の切断が行われる。

【００１９】このように本構成では、加工ヘッド２３よ
りも参照符３８で示されるレーザ光の照射方向の下流側
に、アシストガスを噴射するためのノズル２４を設け、
このノズル２４はレーザ光の光軸３７の周囲から該光軸
３７へ向けてアシストガスを噴射する。したがって加工
ヘッド２３には、従来技術で述べたようなレーザ光の光
軸３７と同軸にアシストガスを噴射するための空間を規
定する圧力隔壁の機能を有する集光レンズまたは透過素
子を設ける必要はない。これによって、該加工ヘッド２
３には集光手段として大きなパワーに耐えることができ
る凹面鏡２７のみを設けるだけでよく、したがってレー
ザ発振器２２の出力を大きくして切断可能なワーク３５
の肉厚を厚くすることができる。

【００２０】図３は本発明の他の前提となるノズル４４
の底面図である。このノズル４４は、前記ノズル２４と
同様に、環状の本体４１には接続部４２を介してアシス
トガスが供給され、そのアシストガスを前記本体４１の
外周面においてワーク３５に対向する底面に等間隔で形
成されたノズル孔４５から噴射するように構成されてい
る。これによってもまた、前記加工ヘッド２３内にアシ
ストガスを供給するための空間を形成する必要がなくな
る。

【００２１】図４は本発明の一実施例のレーザ切断装置
５１の断面図であり、前述の構成に類似し、対応する部
分には同一の参照符を付す。この実施例では、ノズル５
４は２層構造に形成されている。このため、前記本体３
１に加えて、該本体３１の照射方向３８の上流側にもう
１つの本体５０が設けられる。前記本体５０へは、接続
部５２から管路５３を介して、ガス供給源５５から、前
記アシストガスと同一のガスで実現される高圧のシール
ドガスが供給される。また本体５０には、前記照射方向
３８とは反対方向に向けて前記シールドガスを噴射する
ための無端環状のスリット５６が形成されている。

【００２２】したがって、前記本体３１のスリット３６
からワーク３５方向へアシストガスが噴射され、前記ス
リット５６からは加工ヘッド２３側にシールドガスが噴
射されることによって、ノズル５４の中心部５７付近は
負圧となっているので、前記スリット３６からのアシス
トガスに、該中心部５７を通って加工ヘッド２３側の空
気が混入することを抑えることができる。これによっ
て、アシストガスを高い純度に維持し、切断面を均一に
燃焼させることができ、切断品質を向上することができ
る。

【００２３】なお、上述の実施例では集光手段として凹
面鏡２７が用いられたけれども、本発明の他の実施例と
して凸レンズが用いられてもよく、この場合には該凸レ
ンズが前述の圧力隔壁としての機能を備える必要がない
ので、強度よりもレーザ光の透過度などを優先して設計
することができるようになる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ光の焦点付近に
おいて、アシストガス噴射手段のノズルからアシストガ
スを噴射し、このノズルは、レーザ光の光軸に一致する
中心を有する環状に配置され、ノズルからレーザ光の焦
点へ向けてアシストガスを噴射し、このアシストガス
は、ワークと酸化反応し、かつ溶融したドロスを切断面
から飛散させる。したがって該レーザ光を集光する凸レ
ンズや凹面鏡などの集光手段が備えられる加工ヘッド内
に、前記アシストガスの流路となる空間を形成する必要
はなくなり、これによってレーザ光の光経路中に前記空
間を規定するための圧力隔壁となるレンズや素子を設け
る必要がなくなり、レーザ発振器のパワーを大きくして
肉厚の厚い部材の切断を行うことができるようになる。
特に本発明では、アシストガスをレーザ光の焦点へ向け
て噴射し、これによって切断作業を効率よく行うことが
でき、しかも切断品質を向上することができる。

【００２５】また本発明によれば、前記アシストガスの
噴射方向とは反対方向にシールドガスを噴射するので、
アシストガスへの周囲の空気の混入を抑えて、該アシス
トガスの純度を高く維持することができ、切断面の不規
則な燃焼を抑え、切断品質を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となるレーザ切断装置２１の断面
図である。

【図２】前記レーザ切断装置２１に用いられるノズル２
４の図１の切断面線Ａ−Ａから見た断面図である。

【図３】本発明の他の前提となるノズル４４の底面図で
ある。

【図４】本発明の一実施例のレーザ切断装置５１の断面
図である。

【図５】典型的な従来技術のレーザ切断装置１の断面図
である。

【図６】他の従来技術のレーザ切断装置１１の断面図で
ある。

【符号の説明】

２１，５１ レーザ切断装置 ２２ レーザ発振器 ２３ 加工ヘッド ２４，４４，５４ ノズル ２７ 凹面鏡 ３４，５５ ガス供給源 ３５ ワーク ３６，５６ スリット ３７ 光軸 ３８ 照射方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷 浩志 兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番 １号 川崎重工業株式会社 神戸工場内 (56)参考文献 特開 昭56−151191（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出力されたレーザ光を
   集光する集光手段と、 前記集光手段の焦点付近において、集光手段よりもレー
   ザ光の下流側に配置されるアシストガス噴射手段であっ
   て、このアシストガス噴射手段は、ノズルを有し、この
   ノズルは、レーザ光の光軸に一致する中心を有する環状
   に配置され、ノズルからレーザ光の焦点へ向けてアシス
   トガスを噴射するアシストガス噴射手段と、 前記ノズルに、ワークと酸化反応し、かつ溶融したドロ
   スを切断面から飛散させるアシストガスを供給するガス
   供給源と、 前記アシストガス噴射手段よりも前記照射方向の上流側
   に、前記照射方向とは反対方向にシールドガスを噴射す
   るシールドガス噴射手段とを含むことを特徴とするレー
   ザ切断装置。