JP3658406B2 - レーザビームカッティング用のノズル装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームカッティング用のノズル装置であって、該ノズル装置が集束されたレーザビームに適合した、該レーザビームを取り囲む円錐台形の、レーザビームのための通過孔を備えたノズル体を有し、該ノズル体がこれを同心的に取り囲み該ノズル体との間に環状間隙を形成するノズルスリーブを有し、該ノズルスリーブが、ガス源に接続された環状間隙のカッティングガスビームのための、前記通過孔と同軸的な出口孔を有しており、この場合該出口孔が前記通過孔の前にワーク側に配置されておりかつ前記通過孔の直径より大きい直径を有している形式のものに関する。
上記の特徴を有するノズル装置は“Patents Abstracts of Japan"（1993、Vol.17/No.410、sec.M−1455）の特開平５−84589号公報から公知である。環状間隙を形成するノズルスリーブの壁は、大気を全く巻き込まないようにするために、ノズル体の端部から0.5〜5mm以上突出している。
米国特許第4121085号明細書によれば、レーザビームカッティング用のノズル装置であって、集束されたレーザビームに適合した、該レーザビームを取り囲む円錐台形の、レーザビーム用の通過孔を備えたノズル体を有していて、該ノズル体がこれを同心的に距離をおいて取り囲むノズルスリーブを有し、該ノズルスリーブが、通過孔と同軸的な、カッティングガスビーム用の出口孔を有し、該出口孔がノズル体の通過孔の前にワーク側に配置されている構成のものが公知である。この場合出口孔の出口横断面はノズル体とノズルスリーブとの間に存在する室内への入口横断面よりも小さくされている。そしてこの形式で、ワークへの空気の供給を避ける目的でガスの逆流が通過孔を通して生じるようにされている。ノズル体とノズルスリーブとの間の室の横断面は流動運動に関して満足すべきものではない。
ドイツ国特許出願公開第3637568A1号明細書によれば、レーザビームカッティング用のノズル装置であって、該ノズル装置が、集束されたレーザビームに適合した、該レーザビームを取り囲む円錐台形の、レーザビーム用の通過孔を備えたノズル体及び、該ノズル体を同心的に取り囲みかつ該ノズル体と環状間隙を形成するノズルスリーブを有し、該ノズルスリーブが、ガス源に接続された環状間隙のカッティングガスビーム用の通過孔と同軸的な出口孔を有している構成のものが公知である。この公知のノズル装置ではノズルスリーブはノズル体上にねじはめられており、かつスリーブ内周面に個別の、互いに分離した縦溝を有している。スリーブがある程度ねじ外されると、このスリーブとノズル体との間に円錐形の環状間隙が形成される。この環状間隙はノズル体の通過孔を、通過孔の範囲におけるノズル体の壁厚によって規定される距離だけ離れて、取り囲む。噴出するカッティングガスビームは中空の円筒形である。この公知のノズル装置はカッティングにも使用することができるが、しかしこのために特殊化されておらず、また中空円筒形の燃焼ガスビームに基き、比較的大きなカッティングギャップを生じる。
ドイツ国特許出願公開第3824047A1号明細書によれば、ノズルスリーブを有するノズル装置であって、ノズルスリーブが円錐台形のノズル体を同心的に取り囲みかつ孔を有しており、この孔は通過孔の前にワーク側に配置されている。公知のノズル装置のこの孔により、ノズルスリーブとノズル体との間の環状間隙が吸い込み作用を受けるため、ワーク表面に負圧が作用せしめられる。この場合出口孔の範囲に著しい障害が発生し、その結果レーザカッティング用のこのノズル装置は、カッティングが高い出力及び又は高いカッティングガス圧力で行われるべき場合、例えばカッティングが3kwのレーザ出力及び10バール以上の圧力で行われるべき場合には、特に不適である。ドイツ国特許出願公開第3630127A1号明細書によれば、レーザビームカッティング用のノズル装置であって、集束されたレーザビームに適合した、レーザビームを取り囲む円錐台形の、レーザビーム用の通過孔を備えたノズル体及び、該ノズル体を同心的に取り囲むノズルスリーブを有し、該ノズルスリーブがノズル体と複数の、ガス源に接続したガス流動通路を形成し、該通路がレーザビーム用通過孔のワーク側において、ノズル体及びノズルスリーブによって共通に形成されている合流室に開口し、該合流室から単一のガスビームが相応するガス圧力下において出口孔を通って超音速で流出するようにしたものが公知である。この場合大気からのガスの連行を防止するため著しく低速で流れるガス被膜が形成される。出口孔はノズルスリーブにねじはめられた保護キャップにより形成され、これはカッティング時に発生する汚れを防止する。上記のノズル装置では出口孔の直径はレーザビーム用の通過孔の直径よりも小さい。この公知のノズル装置において発生するガス流は、流動損失及びカッティングギャップ中におけるカッティングガスの流れの経過という観点からさらに改善されるべきものである。
本発明の課題は、はじめに述べた形式のノズル装置を改良し、ノズルから出るガスビームができる限り最小限の流動損失で、即ち最小限のパルス−及び質量流損失で、ノズル開口からワーク材料へ導かれるようにすることにある。
この課題は、出口孔の出口横断面が、環状間隙の、出口孔への移行部の横断面にほぼ等しいことによって、解決されている。
本発明にとって、ノズル出口範囲において流れの最適化が行われることが重要である。収斂する環状間隙の出口において、環状間隙によって環状に形成されているガスビームはノズル軸線に平行な方向へ偏向されかつ閉じた自由ビームとして完全にノズル開口若しくはノズルの出口孔から流出する。ノズル開口範囲における環状のビームの偏向は最小限のパルス損失で行われる。それというのはこの場合圧縮衝撃が発生しないからである。ノズル開口の外側ではじめて自由ビームはレーザビーム軸線の方向に超音速で膨張する。
出口孔への環状ビームの流動損失のない偏向に基き、レーザビーム通過孔による洩れ−ガスビームは最小限まで減少する。僅小の洩れガスビームはガスビーム中への大気の混入を減少させる。
ノズル装置内において流動損失が極めて少ない申し分のないカッティングガス流が生じるようにするため、ノズル装置を以下のように構成することができる。即ち、出口孔に向って減少する環状間隙横断面に基いてガスが最大値で音速まで加速されるように環状間隙及びガス圧力が設定されるように構成することができる。圧縮衝撃は確実に避けられ、その結果流動損失は最小限まで減少される。
環状間隙の、出口孔への移行部の横断面がノズルスリーブの壁の形状によりできる限り連続的に減少するようにすることにより、流動損失をさらに少なくすることができる。
出口孔が適宜の寸法を有するようにするため、ノズル装置は、環状間隙の間隙幅寸法がほぼ以下のようになるように製作される。
ｓ＝D/（2cos（α_ｓ））・（１−（１−cos（α_ｓ）^0.5）
この場合、
ｓは間隙幅
Ｄは出口孔の直径
α_ｓは環状間隙の傾斜角度
である。
これにより設計変更のために簡単に利用可能な構成基準がえられる。
特にカッティング速度が比較的高い場合には、ノズルがワークから幾分大きな距離を有することが望ましい。この場合、ガスビームが広がらずかつその機械的作用がカッティングギャップ内にとどまることが保証されていなければならない。このためノズル装置は、出口孔がカッティングガスビームを、該ビームを案内して超音速まで膨張させる形状に形成されているノズル切欠き部内へ導くように、構成される。
ノズル体の通過孔の直径は、ガス流に対する影響を避けかつまたノズル内室による洩れ損失を小さく抑えることができるようにするため、できる限り小さく形成すべきである。このような点で有利なノズル装置の一構成によれば、通過孔の直径が該通過孔の範囲におけるレーザビーム直径の1.5倍に等しいか又は1.5倍より大きい。
ノズル装置はレーザビームを集束する手段に関して、異なる構造に構成される。フォーカシングレンズを使用する場合には、ノズル装置を、フォーカシングレンズ及び又は、レーザビームを通過させる閉鎖窓が可能な最大カッティングガス圧力によって破壊されないように、構成することが必要である。ノズル装置がこのような、レーザビームを通過させる閉鎖窓を有する場合、レーザビームが入射する範囲における、透過性エレメントによって閉鎖されるノズル体内室が減圧孔を有するようにノズル装置を構成するのが有利である。減圧孔は特にある程度の圧力ピークを消滅させることができ、従ってレーザビーム透過性の閉鎖窓若しくはフォーカシングレンズの損傷を避けることができる。
ノズル装置はまた、レーザビームの入射範囲おける透過性のエレメントによって閉鎖されるノズル体内室がガス源に接続されるように構成することができる。この場合、ノズル体の内室は従来の形式でガスを負荷され、該ガスはレーザビーム用の通過孔を通って流出し、かつ中心部で環状間隙のガスに合流し流出する。
ノズル装置はさらにまた、円錐台形のノズルスリーブが、該ノズルスリーブとさらに別のもう１つの同軸的な環状間隙を形成する外側のスリーブによって取り囲まれ、かつ両環状間隙が同一の又は異なる流体源に接続されているように、構成することができる。この構成は、反射鏡光学素子と関連して使用されるノズル装置に特に適している。同一のガス源に両環状間隙が接続される場合、その結果生じるカッティングガスビームはその横断面に亙って異なる圧力比及び又は流量比を有することができる。両環状間隙が別々のガス源に接続される場合、一緒にガイドされる異なった別個のガスビームの相応する圧力比及び又は流量比が生じる。特殊な場合にはガスの代わりに流体としての液体を使用することも可能である。
上記のノズル装置はまた、上記のさらに別の環状間隙が出口孔内へ開口し又は出口孔から隔って該出口孔をある距離をおいて取り囲んでいる間隙開口へ開口するように構成することができる。上記の前者の場合、外側に流入する流体は中心のガスビームの構成成分になり、この場合、上記のさらに別の環状間隙の開口の形状を介して、ガスビームの形態に影響を与えることができる。上記の後者の場合別個のビームをうることができ、該ビームは例えば、カッティングビームのまわりにあるワーク範囲に影響を与えるために、例えば該ワーク範囲を遮蔽するために使用することができる。
付加的なガスビームは全く異なった要求に対応しなければならないことが多い。例えばガス消費量を少なくするという要求が課される場合がある。この場合ノズル装置を、付加的ガスビームを形成するための環状間隙が、出口孔の傍らに開口する孔に接続されているように構成すると有利である。この孔はまたノズル軸線に平行であるのが有利である。
同様の特殊な目的のために、ノズルスリーブが環状間隙から発する垂直のスリットを有し、該スリットに出口孔が一体化されているようにノズル装置を構成することも可能である。
次に本発明を図面に示された実施例について説明する。
第１図は基本的構成部分を説明するためのノズル装置の略示横断面図、
第2a−ｄ図は異なる構成における第１図の細部Ｚを示す図、
第３、４図はレーザビーム透過性の閉鎖窓を有する又は有しない第１図のノズル装置の用途によるバリエーションを示す図、
第５、６図は異なるガスを半径方向及び軸方向で混合するためのノズル装置の異なる構成を示す図、
第７、８図は同心的な付加的ガスビームを生ぜしめるためのノズル装置の異なる構成を示す図、
第９、10図は同心的でない付加的ガスビームを生ぜしめるノズル装置の異なる構成を示す図である。
本発明によるノズル装置34は、実質的にノズル体10から成り、該ノズル体は内室16を有し、該内室は、図示されていない集束されたレーザビームに相応して適合しており、要するに集束されたレーザビームに相応して先細に形成されている。ノズル体10の図面下側のワーク側の端部にはレーザビームを通すための通過孔11がある。この通過孔11の直径ｄはできるだけ小さく形成され、この個所における集束されたレーザビームの直径d_Lに相応して設定される。この場合ほぼ、ｄ＞1.5×d_Lとなる。
ノズル体10はノズルスリーブ13によって取り囲まれており、これは複合的な構造を有している。ノズル体10の下側端部の範囲においてノズルスリーブ13はノズル体10と同様に円錐台形に形成されている。ノズルスリーブはしかしノズル体10の外周10'に対して僅かな距離だけ離れており、その結果環状間隙12が形成されている。この環状間隙12はガス入口25に接続したストーク室23からノズル開口26まで延びており、ここにはノズルスリーブ13中に出口孔14がある。ガス入口25とノズル開口26との間には一貫した流動接続通路が形成されている。ストーク室23はノズル体10の周囲を取り囲む環状室であり、この室にはガス入口25の他に、圧力測定のための接続孔27も接続している。従ってガス入口25からのカッティングガス供給を圧力測定に関連して、ノズル内に生ぜしめられる作業ガス圧力が所定の値をとり、換言すれば所定の値を上回わることも下回わることもないように、行うことができる。作業ガス圧力の発生は、ストーク室23からノズル開口26へかけて環状間隙12の流動横断面が減少していることに基いて、えられる。この環状間隙内においてカッティングガスは最大で音速まで加速される。
第2a図〜第2d図に異なる構成で図示されている第１図の細部Ｚは主に環状間隙12の流動横断面から出口孔14の流動横断面へ移る移行部の形状に関している。この移行部の横断面は、第2a図では、ノズル体10が円錐台形に形成されているのに対して、ノズルスリーブ13が外側は同様に円錐台形であるがしかし内側はその壁36がほぼ円弧ホッパ状でありかつ環状間隙12とノズル開口26との間の移行部の範囲において連続的に湾曲し、その結果環状に角ばったエッジが生じないように形成されていることにより、規定されている。これに相応して移行部横断面は、第2a図に並んでいる線図からも読み取れるように、連続的に減少している。この線図には流動経路の座標ｕに関連する流動横断面Ａの変化が示されている。流動経路の座標u₁には流動横断面A₁があり、これは流動経路の座標u₂における流動横断面A₂よりも大である。この線図は移行部横断面の所期の連続的な減少を示している。この場合、ノズル体10の外周面が円錐先端38まで完全に延びているものと仮定されており、要するに図示の通過孔11による有効な障害作用は存在しないものと仮定されている。流動横断面はノズル開口26に至るまで飛躍なしに連続的に減少している。
第2c,d図では通過孔11及び出口孔14はそれぞれ円筒形に形成されている。このような形状はもっとも簡単に製作することができる。環状間隙12の幅は円筒形の出口孔14まで一定である。第2c図及び第2d図の比較から判るように、ノズル体10の外周面はそれぞれ等しくかつ同じ位置にある。環状間隙12から出口孔14への移行部横断面は正確にノズルスリーブ13のぐるりと円環状に形成されているエッジ39のところでノズル体10の外周面に対して垂直に位置している。移行部横断面は第2c図、第2d図では符号40で示されている。第2c図及び第2d図の比較からさらに判るように、ノズル体10の下側エッジ41は、通過孔11の直径が小さくなればなる程エッジ39に接近して位置する。ノズル体10は、その周面の位置が不変である場合、直径ｄが小さくなればなる程それだけ深く出口孔14に向って侵入する。
しかし第１に重要なことは、出口孔14の直径Ｄがレーザビーム用の通過孔11の直径ｄより大きいことである。さらに第２図に示す間隙幅ｓが重要である。全ての上記の量は、環状間隙12によって形成された環状のガスビームができるだけ損失なしにレーザビーム軸線28の方向へ偏向されるように、互いに関連し合っていなければならない。この場合次の関係から出発する。
A_D＝πD²/4
さらに次式が成立つ。
A_s＝πｓ（Ｄ−Scos（α_ｓ））
この場合
Ｄは出口孔14の直径、
ｄはレーザビームのための通過孔11の直径、
ｓは間隙幅、
α_ｓは間隙の傾斜角度、
A_sは間隙の出口面、
A_Dは出口孔の出口面
である。
ところで、ガスビームのできるだけ損失のない流動状態をうるためには、A_sがほぼA_Dに等しいことが重要であるということから出発すると、前記の両式から、
ｓ＝D/（2cos（α_ｓ））・（１−（１−cos（α_ｓ）^0.5）
となる。
出口孔14の直径は通常2mmである。角度α_ｓはできるだけ鋭角に構成すべきである。しかし、集束されたレーザビームの形状が角度α_ｓを制限するから、通常角度α_ｓ＝30゜になる。このことから必要な間隙幅ｓは0.73mmになる。
第2b図はノズル開口26が第2a図のそれに相応しているが、しかしノズル先端43にノズルクラウン42が設けられている。ノズル先端43へのノズルクラウン42の固定は、例えば接合によって行われている。しかし一体に形成することも可能である。出口孔14からのカッティングガスビームをガイドしこれを超音速に膨張させるノズル切欠き37が重要である。このことは例えば、カッティングビームが加工ヘッドとワークとの間の比較的長い区間に亙って一定不変の特性を維持すべき用途において有利である。カッティングガスビームは特に拡散せずかつカッティングギャップ中において、燃焼し終った材料の吹きとばしのさいに所期の機械的特性を撥揮する。第2b図に並べて示されている線図はノズルクラウン42内における流動経路の座標ｕと流動横断面Ａとの関係を示すものであり、この場合ノズル開口26の範囲外における横断面の増大がよく示されている。
ノズルの上記の基本的構成は有利に種々異なる形式で使用することができる。第３図はノズルホルダ29と結合され、レーザビームを破線又は一点鎖線に示すように導く反射鏡光学素子35と一緒に使用されているノズル装置を示している。一点鎖線は集束されたレーザビームのレーザビーム軸線28を示し、該レーザビームはノズル装置34若しくはノズル体10を通り、カッティングされるべきワーク上へ向けられる。
第４図ではレーザビームは透過性のエレメント15、即ちレンズで集束され、これはノズル体10の内室16を上側から閉鎖している。この場合透過性のエレメント５の機械的な破壊閾値とは無関係である静圧のカッティングガスビームが形成される。透過性エレメント若しくはレンズ15の圧力負荷を軽減するために減圧孔32を設けることができる。
若干のカッティング用途では、ガスビームの中心に、ガスビームの周縁部とは異なる種類のガスを生ぜしめることが必要である。この場合、例えば燃焼カッティングにおいて、レーザビーム軸線に合致するガスビームの中心の近くには、エネルギ結合を改善するため純粋酸素を使用し、これに対してガスビームの周縁部には酸化プロセスを抑えるガス、例えば窒素又は水のような流体を使用するのが有利である。半径方向の混合又は層形成は、ガス又はガス混合物が中心部に、それもノズル体10の、集束されたレーザビームも通過する内室16を通して、供給されることによって、達成される。ガスビームの第２成分は環状間隙12を通して供給され、その結果所期の互いに関連し合った、しかし半径方向及び軸方向で異なる程度に混合されたガスビームがえられる。混合における調量は一緒に導かれる個々のガス流の圧力比及び又は流量比を介して行われる。調量若しくは流量をさらに付加的に、環状間隙を機械的に調量して環状間隙の間隙幅を変えることによって調節することも可能である。ガスを中心部に供給するために、第５図に示されているような透過性の閉鎖エレメント15が必要である。ノズルホルダ29の孔30を通して第１ガス種１のガス供給が行われ、かつ孔31はこのガスの圧力測定１に役立つ。第２ガス種はこれに対してスリーブ13のガス入口25を通して供給され、該スリーブ13の孔27では第２の圧力測定が行われる。
第５図に示す透過性の閉鎖エレメント15が実現できない場合には、第６図に示すノズルが使用され、これはノズルスリーブ13の外側にこれを取り囲むさらに別の外側スリーブ18を有し、これはスリーブ13の外周との間にさらに別の１つの同軸的な環状間隙17を形成している。内側の環状間隙12がストーク室23¹に接続されているのに対して、外側の環状間隙17はさらに別のストーク室23²に接続し、これらのストーク室は両ガス種のためのそれぞれ別個のガス入口を有すると共に、圧力測定のためのそれぞれ別個の接続部27¹及び27²を有している。
両ガス種はノズル開口の構成に相応して一緒に案内される。第６図によれば外側の環状間隙17は出口孔14に開口している。これに対して第７図ではさらに別の環状間隙17が間隙開口20を有し、該開口は出口孔14からの距離19を有し、要するに該出口孔14をこの距離19をおいて取り囲んでいる。この構成に相応する、別々の同心的なガスビームの形成がえられる。
互いに分離したガスビームの一様な同心的な形成は第８図のノズルの構成においても可能である。このノズルの構成はしかし、両環状間隙12,17が同一のストーク室23に接続されており、この場合環状間隙17は全周に亙って分配された供給孔33を有している点で特殊性を有している。
第８図のノズル装置は外側の離れている付加的なガスビームによりガス消費量が比較的大きい。このガス消費量を減少させようとする場合には、第９図のノズル装置を使用することができる。このノズル装置では環状間隙12はたんに出口孔14にだけでなく孔21にも供給を行い、この孔21はビーム軸線28に対して平行に離して配置されており、これに相応して、比較的大きな横断面の第２のビームを生ぜしめる。
付加的ガスビームを、これがレーザビーム軸線28から離れていると共に出口孔14のガスビームと接続するように形成することも可能である。このようにする目的でノズルスリーブ13は環状間隙12から延びている、長孔状の開口を備えた垂直のスリット22を有し、該スリットに出口孔14が一体に形成されている。この構成は第10図に示されている。

Claims (12)

1. レーザビームカッティング用のノズル装置（34）であって、該ノズル装置が集束されたレーザビームに適合した、該レーザビームを取り囲む円錐台形の、レーザビームのための通過孔（11）を備えたノズル体（10）を有し、該ノズル体（10）がこれを同心的の取り囲み該ノズル体との間に環状間隙（12）を形成するノズルスリーブを有し、該ノズルスリーブが、ガス源に接続された環状間隙（12）のカッティングガスビームのための、前記通過孔（11）と同軸的な出口孔（14）を有しており、この場合該出口孔（14）が前記通過孔（11）の前にワーク側に配置されていて、前記通過孔（11）の直径（ｄ）より大きい直径（Ｄ）を有している形式のものにおいて、出口孔（14）の出口横断面が、環状間隙（12）の、出口孔（14）へ移行する移行部の横断面にほぼ等しいことを特徴とする、レーザビームカッティング用のノズル装置。
2. 環状間隙（12）及びガス圧力が、ガスが出口孔（14）に向って減少する間隙横断面に基いて最大値で音速まで加速されるように、設定されていることを特徴とする、請求項１記載のノズル装置。
3. 環状間隙（12）の、出口孔（14）への移行部横断面がノズルスリーブ（13）の壁（36）の形状により連続的に減少していることを特徴とする、請求項１又は２記載のノズル装置。
4. 環状間隙（12）の間隙幅が、該間隙幅をｓとし、出口孔の直径をＤとし、環状間隙の傾斜角度をα_ｓとして、
   ｓ＝D/（2cos（α_ｓ））・（１−（１−cos（α_ｓ））^0.5
   であるように、設定されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のノズル装置。
5. 出口孔（14）がカッティングガスビームをノズル切欠き（37）内へ導き、該ノズル切欠き（37）が、カッティングガスビームを案内して超音速まで膨張させるように形成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のノズル装置。
6. 通過孔（11）の直径（ｄ）が通過孔（11）の範囲におけるレーザビームの直径の1.5倍に等しく又はこれより大きいことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のノズル装置。
7. レーザビームの入射範囲が透過性のエレメント（15）により閉鎖されている、ノズル体（10）の内室（16）が、減圧孔（32）を有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のノズル装置。
8. レーザビームの入射範囲が透過性のエレメント（15）により閉鎖されている、ノズル体（10）の内室（16）が、ガス源に接続されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のノズル装置。
9. 円錐台形のノズルスリーブ（13）が、該ノズルスリーブとさらに別の同軸的な環状間隙（17）を形成する外側のスリーブ（18）によって取り囲まれており、かつ両環状間隙（12,17）が同一の又は異なる流体源に接続されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載のノズル装置。
10. 前記のさらに別の環状間隙（17）が出口孔（14）に開口しており又は出口孔（14）から隔てられた、該出口孔（14）を距離（19）をおいて取り囲んでいる間隙開口（20）を有していることを特徴とする、請求項９記載のノズル装置。
11. 付加的ガスビームを形成するための環状間隙（17）が、出口孔（14）の傍らに開口する孔（21）に接続していることを特徴とする、請求項１から10までのいずれか１項記載のノズル装置。
12. ノズルスリーブ（13）が環状間隙（12）から発している垂直のスリット（22）を有し、該スリットに出口孔（14）が一体に形成されていることを特徴とする、請求項１から11までのいずれか１項記載のノズル装置。

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