JP3759452B2

JP3759452B2 - レーザ加工機におけるアシストガス供給方法及びその装置

Info

Publication number: JP3759452B2
Application number: JP2001394943A
Authority: JP
Inventors: 正則中山
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003191090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工機におけるアシストガス供給方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザ加工機においてはレーザ加工ヘッドからレーザ光を被加工物（ワーク）に照射して、切断や溶接を行うようになっている。前記被加工物の切断作業は、被加工物の材質が異なると切断端面が変化するので、これを適正に行うため被加工物の切断領域に対し窒素、酸素或いは圧縮空気などのアシストガスをレーザ加工ヘッドに供給するようになっている。前記被加工物が、例えばステンレス鋼の場合には切断面が酸化して黒くなり美観が損なわれるので、アシストガスとして窒素を用いるようにしている。
【０００３】
又、被加工物の材料が例えば鉄板などでは、アシストガスとして圧縮空気を用いる。この場合には空気の主成分である窒素と酸素ガスによって被加工物の切断が行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
窒素ガスをアシストガスとして用いた被加工物の無酸化加工の場合には、切断面の変色が生じないものの被加工物とレーザ加工ヘッドの先端との間にプラズマが発生し易く、エネルギーのロスが多くなり加工不良に陥る恐れがあるという問題があった。このため加工速度を遅い速度に設定しなければならず、加工能率が低下するという問題があった。
【０００５】
一方、前記圧縮空気をアシストガスとして用いる場合には、空気中に含まれる二酸化炭素によって、被加工物に照射されるレーザ光による熱が吸収され過ぎて、切断幅が広くなり、切断速度が低下する。
【０００６】
この発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、レーザ光による被加工物の切断加工中におけるプラズマの発生を抑制して、被加工物の加工能率を向上することができるレーザ加工機におけるアシストガス供給方法及びその装置を提供することにある。
【０００７】
この発明の別の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、レーザ光による被加工物の切断加工中におけるレーザ光の熱の吸収を抑制して、切断幅を大きくせずに、被加工物の加工能率を向上することができるレーザ加工機におけるアシストガス供給方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、圧縮空気に含まれる二酸化炭素を除去し、この圧縮空気をレーザ加工ヘッドにアシストガスとして供給するようにしたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、圧縮空気を供給する圧縮空気供給源と、該圧縮空気供給源に接続され、かつ圧縮空気から二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置とを備え、該二酸化炭素除去装置からレーザ加工ヘッドに圧縮空気を供給するようにしたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、圧縮空気供給源としてのコンプレッサに配管を介して二酸化炭素除去装置としての二酸化炭素の分離槽を接続し、二酸化炭素が除去された該圧縮空気は吐出管を介してレーザ加工ヘッドに供給されるように構成され、前記分離槽には分離した二酸化炭素を外部に排出する二酸化炭素排出機構が設けられていることを要旨とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記二酸化炭素排出機構は、複数の分離槽から出た圧縮空気の一部を利用して、別の分離槽の二酸化炭素を除去するように構成されていることを要旨とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記分離槽は二箇所に設けられ、それらの分離槽の上流側の第１分岐管及び第２分岐管にはそれぞれの分岐管に対応するように第１及び第２電磁開閉弁が設けられ、前記第１及び第２電磁開閉弁の下流側の第１及び第２分岐管の途中には第１及び第２排出管が接続され、両排出管には第３電磁弁及び第４電磁弁が接続され、前記分離槽の下流側に接続された第１吐出管及び第２吐出管は切換弁を介してレーザ加工ヘッドへの供給管に接続され、前記第１吐出管及び第２吐出管は絞り弁を介して連通管により連通されていることを要旨とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記第１排出管及び第２排出管は合流配管に接続され、該合流配管にはサイレンサーが設けられていることを要旨とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、窒素ガスを貯留した窒素ガスボンベと、酸素ガスを貯留した酸素ガスボンベと、前記両ガスボンベに接続され、窒素ガスと酸素ガスを混合するガス混合装置とを備え、該ガス混合装置は、前記窒素ガスボンベに配管を通して接続された第１圧力調整弁、窒素ガス用流量計及び比例混合弁の第１流量調整弁を備えるとともに、酸素ガスボンベに配管を介して接続された第２圧力調整弁、酸素ガス用流量計及び比例混合弁の第２流量調整弁を備え、第１流量調整弁及び第２流量調整弁には混合筒が接続され、該混合筒の出口側に接続した混合ガス供給配管には減圧弁が接続され、前記第１圧力調整弁の上流側の配管と減圧弁とがパイロット通路によって接続され、前記ガス混合装置からレーザ加工ヘッドに混合ガスを供給するようにしたことを要旨とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施形態を図１に基づいて説明する。
圧縮空気供給源としてのコンプレッサ１１の吐出口にはオイルを除去するためのフィルタ１２を介して配管１３が接続され、配管１３の先端には第１及び第２分岐管１４，１５が接続されている。第１及び第２分岐管１４，１５には第１及び第２電磁弁１６，１７が接続されている。前記第１及び第２分岐管１４，１５には第１及び第２分離槽１８，１９が接続され、第１及び第２分離槽１８，１９の吐出側には第１及び第２吐出管２０，２１が接続されている。前記第１及び第２吐出管２０，２１には切換弁としてのシャトル弁２２を介して供給管２３が接続され、該供給管２３の末端はレーザ加工ヘッド２４に接続されている。
【００１８】
前記第１及び第２分岐管１４，１５の途中には第１電磁弁１６及び第２電磁弁１７の上流側に位置するように第１及び第２排出管３１，３２が接続されている。両第１及び第２排出管３１，３２の途中には第３及び第４電磁弁３４，３５が設けられ、前記第１及び第２排出管３１，３２は合流配管３３に接続され、該合流配管３３にはサイレンサー３６が接続されている。
【００１９】
前記第１及び第２吐出管２０，２１には前記シャトル弁２２の上流側に位置するように連通管３７の両端が接続され、連通管３７には絞り弁３８が接続されている。この実施形態では、前記第１排出管３１、第２排出管３２、合流配管３３、第３電磁弁３４、第４電磁弁３５、連通管３７及び絞り弁３８等により二酸化炭素排出機構を構成している。
【００２０】
前記第１及び第２分離槽１８，１９内には、圧縮空気に含まれる二酸化炭素を分離するための微細な多孔質膜フィルタが収納されている。
前記のように構成したレーザ加工機のアシストガス供給装置について、その動作を説明する。
【００２１】
図１は第１及び第４電磁弁１６，３５が開放され、第２及び第３電磁弁１７，３４が閉鎖され、前記絞り弁３８が第１吐出管２０及び第２吐出管２１の通路面積よりも小さい通路面積に保持された状態を示す。この状態においてコンプレッサ１１から配管１３を介して圧縮空気が第１分岐管１４から第１分離槽１８に供給されると、第１分離槽１８内において圧縮空気中の二酸化炭素のみがフィルタによって除去される。二酸化炭素を分離された窒素と酸素を主成分とする圧縮空気は第１吐出管２０を通ってシャトル弁２２から供給管２３に流れ、レーザ加工ヘッド２４からレーザ光とともに被加工物に吹き付けられる。このとき、二酸化炭素を除去された圧縮空気の一部は、連通管３７及び絞り弁３８を通して第２分離槽１９の吐出側へ供給されるので、非作動状態の第２分離槽１９内に二酸化炭素を除去する流れとは逆方向に圧縮空気が供給される。このため、既に第２分離槽１９内のフィルタにより分離されて該フィルタに付着していた二酸化炭素が第２分離槽１９の下端開口部から第２分岐管１５、第２排出管３２、第４電磁弁３５及び合流配管３３を経てサイレンサー３６に流れ、大気に排出される。
【００２２】
第１分離槽１８側の作動状態が継続されて、第１分離槽１８内のフィルタに多量の二酸化炭素が付着した場合には、運転が停止される。そして、開かれていた第１及び第４電磁弁１６，３５が閉鎖され、閉鎖されていた第２及び第３電磁弁１７，３４が開放される。この状態で前記コンプレッサ１１から配管１３を通して圧縮空気を第２分岐管１５側に供給すると、第２分離槽１９内のフィルタにより圧縮空気中の二酸化炭素が分離除去される。次で、窒素と酸素を主成分とする圧縮空気は、第２吐出管２１からシャトル弁２２を経て供給管２３に至り、レーザ加工ヘッド２４からレーザ光とともに被加工物の加工部に吹き付けられる。
【００２３】
この第２分離槽１９の作動状態においては第１分離槽１８が停止されているので、第２吐出管２１内に吐出された圧縮空気の一部が連通管３７、絞り弁３８及び第１吐出管２０を経て第１分離槽１８内に供給される。このため第１分離槽１８内のフィルタによって既に分離されて、該フイルタに付着していた二酸化炭素が逆流する圧縮空気により第１分離槽１８の下端部から第１分岐管１４、第１排出管３１、第３電磁弁３４及び合流配管３３を経てサイレンサー３６に供給され、大気に排出される。
【００２４】
次に、前記のように構成したレーザ加工機におけるアシストガス供給装置について、その効果を記載する。
（１）上記実施形態では、コンプレッサ１１から配管１３を通して第１分岐管１４又は第２分岐管１５から第１分離槽１８又は第２分離槽１９に圧縮空気を供給し、圧縮空気中の二酸化炭素を除去する。この窒素と酸素を主成分とする圧縮空気をレーザ加工ヘッド２４から被加工物に供給するようにした。このため、被加工物とレーザ加工ヘッドとの間において加工中に発生する二酸化炭素に起因するプラズマが抑制され、被加工物の切断作業を迅速かつ適正に行うことができ、加工作業の能率を向上することができる。
【００２５】
被加工物としてのステンレス鋼板の厚さが１ｍｍの場合、従来のアシストガス供給装置では、加工速度は３００ｍｍ／ｓｅｃであったが、前記実施形態のアシストガス供給装置の場合には４００／ｓｅｃになり、約３０％以上も加工速度が速くなった。
【００２６】
（２）上記実施形態では、第１及び第２分離槽１８，１９を設けて交互にいずれか一方の第１分離槽１８又は第２分離槽１９を使用すると共に、停止状態の第２分離槽１９又は第１分離槽１８のフィルタに付着した二酸化炭素を除去するように構成した。このため、第１及び第２分離槽１８，１９内のフィルタの清掃作業を自動的に行うことができ、長期に亘ってフィルタの交換作業を不要にすることができる。
【００２７】
次に、この発明の別の実施形態を図２に基づいて説明する。
この実施形態のアシストガス供給装置は、窒素ガスボンベ４１と酸素ガスボンベ５０とから供給される窒素ガス及び酸素ガスを混合装置Ｋによって所定の割合で混合し、レーザ加工ヘッド２４のアシストガス供給ノズルに供給するものである。そこで、混合装置Ｋについて説明すると、前記窒素ガスボンベ４１に接続した配管４２には、上流側から下流側に向って第１チェック弁４３、第１圧力調整弁４４、窒素ガス用流量計４５が接続されている。前記窒素ガス用流量計４５には比例混合弁４７の第１流量調整弁４８及び混合筒４９が接続されている。
【００２８】
前記酸素ガスボンベ５０に接続された配管５１には上流側から下流側に向って第２チェック弁５２、第２圧力調整弁５３及び酸素ガス用流量計５４が接続されている。前記酸素ガス用流量計５４には、比例混合弁４７の第２流量調整弁５６が接続されている。前記比例混合弁４７によって窒素ガスに対する酸素ガスの混合比率を１〜６％の範囲内になるように設定している。
【００２９】
前記第１流量調整弁４８と第２流量調整弁５６に接続された混合筒４９には減圧弁５８が接続され、混合ガス供給配管５７を通してレーザ加工ヘッド２４に混合ガスを供給するようになっている。前記第１チェック弁４３の上流側には窒素ガス圧力計５９が接続され、この窒素ガス圧力計５９と対応する配管４２と、前記減圧弁５８がパイロット通路６０によって接続されている。そして、配管４２内の窒素ガスの圧力をパイロット通路６０を通して減圧弁５８に作用させることにより、混合ガス供給配管５７からレーザ加工ヘッド２４に供給される窒素ガスと酸素ガスの混合ガスの圧力を所定の圧力に減圧して供給するようにしている。前記配管５１には酸素ガス圧力計６１が設けられている。
【００３０】
次に、上記のように構成したアシストガス供給装置について、その動作を説明する。
前記窒素ガスボンベ４１及び酸素ガスボンベ５０から窒素ガスと酸素ガスが配管４２及び配管５１を通して混合装置Ｋに供給されると、以下のようにして窒素ガスに対し酸素ガスが少量だけ混合されて混合ガス供給配管５７からレーザ加工ヘッド２４に供給される。
【００３１】
第１圧力調整弁４４により比例混合弁４７に供給される窒素ガスの圧力が窒素ガス用流量計４５を見ながら設定される。同様に第２圧力調整弁５３により比例混合弁４７に供給される酸素ガスの圧力が酸素ガス用流量計５４を見ながら設定される。そして、窒素ガスと酸素ガスの圧力が同じ圧力状態で比例混合弁４７に供給される。窒素ガスに対する酸素ガスの混合比率は、比例混合弁４７によって設定される。すなわち、第１流量調整弁４８を通る窒素ガスの量が９４〜９９％に設定され、第２流量調整弁５６を通る酸素ガスの量が１〜６％に設定される。
【００３２】
前記実施形態では窒素ガスボンベ４１から供給される窒素ガスに対する酸素ガスボンベ５０から供給される酸素ガスの混合比率を混合装置Ｋにより１〜６％に設定した。そして、この混合ガスをアシストガスとしてレーザ加工ヘッド２４から被加工物の加工部に供給するようにした。このため被加工物とレーザ加工ヘッドとの間で生じるプラズマを抑制して、被加工物の加工速度を速め、被加工物の切断加工作業の能率を向上することができる。
【００３３】
窒素ガスに対する酸素ガスの混合比率が６％より大きくなると、酸化反応が強くなり、そこで発生する酸化物によって加工速度が低下する。１％よりも低い場合にはプラズマの発生を効果的に抑制することができなくなる。
【００３４】
前記実施形態は、次のように変更することも可能である。
○ 窒素ガスに対する酸素ガスの混合比率を２〜４％に設定すれば、一層良い効果が期待できいる。
【００３５】
○ 空気から窒素と酸素を分離し、その後に窒素に対し酸素を所定の割合（１〜６％）で混合装置により混合してレーザ加工ヘッド２４に供給するようにしてもよい。
【００３６】
○ 複数の分離槽から出た圧縮空気の一部を利用して、別の分離槽の二酸化炭素を除去するように構成してもよい。
○ 被加工物としてステンレス鋼以外に軟鋼や亜鉛メッキを施した金属材料、アルミニウムなどの切断や溶接加工時に用いてもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜６記載の発明は、レーザ光による被加工物の加工中におけるプラズマの発生を抑制して、被加工物の加工能率を向上することができる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、レーザ光による被加工物の切断加工中におけるレーザ光の熱の吸収を抑制して、切断幅を大きくせずに、被加工物の加工能率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を具体化したレーザ加工機におけるアシストガス供給装置の回路図。
【図２】この発明の別の実施形態を示すアシストガス供給装置の回路図。
【符号の説明】
Ｋ…混合装置、１１…コンプレッサ、１３…配管、１４…第１分岐管、１５…第２分岐管、１６…第１電磁弁、１７…第２電磁弁、１８…第１分離槽、１９…第２分離槽、２０…第１吐出管、２１…第２吐出管、２２…切換弁としてのシャトル弁、２４…レーザ加工ヘッド、３１…第１排出管、３２…第２排出管、３３…合流配管、３４…第３電磁弁、３５…第４電磁弁、３７…連通管、４１…窒素ガスボンベ、４４…第１圧力調整弁、４７…比例混合弁、４８…第１流量調整弁、４９…混合筒、５０…酸素ガスボンベ、５３…第２圧力調整弁、５６…第２流量調整弁、５８…減圧弁、６０…パイロット通路。

Claims

レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、圧縮空気に含まれる二酸化炭素を除去し、この圧縮空気をレーザ加工ヘッドにアシストガスとして供給するようにしたレーザ加工機におけるアシストガス供給方法。
レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、圧縮空気を供給する圧縮空気供給源と、該圧縮空気供給源に接続され、かつ圧縮空気から二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置とを備え、該二酸化炭素除去装置からレーザ加工ヘッドに圧縮空気を供給するようにしたレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。
請求項２において、圧縮空気供給源としてのコンプレッサに配管を介して二酸化炭素除去装置としての二酸化炭素の分離槽を接続し、二酸化炭素が除去された該圧縮空気は吐出管を介してレーザ加工ヘッドに供給されるように構成され、前記分離槽には分離した二酸化炭素を外部に排出する二酸化炭素排出機構が設けられているレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。
請求項３において、前記二酸化炭素排出機構は、複数の分離槽から出た圧縮空気の一部を利用して、別の分離槽の二酸化炭素を除去するように構成されているレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。
請求項４において、前記分離槽は二箇所に設けられ、それらの分離槽の上流側の第１分岐管及び第２分岐管にはそれぞれの分岐管に対応するように第１及び第２電磁開閉弁が設けられ、前記第１及び第２電磁開閉弁の下流側の第１及び第２分岐管の途中には第１及び第２排出管が接続され、両排出管には第３電磁弁及び第４電磁弁が接続され、前記分離槽の下流側に接続された第１吐出管及び第２吐出管は切換弁を介してレーザ加工ヘッドへの供給管に接続され、前記第１吐出管及び第２吐出管は絞り弁を介して連通管により連通されているレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。
請求項５において、前記第１排出管及び第２排出管は合流配管に接続され、該合流配管にはサイレンサーが設けられているレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。
レーザ加工ヘッドから照射されるレーザ光により被加工物の加工を行うようにしたレーザ加工機において、窒素ガスを貯留した窒素ガスボンベと、酸素ガスを貯留した酸素ガスボンベと、前記両ガスボンベに接続され、窒素ガスと酸素ガスを混合するガス混合装置とを備え、該ガス混合装置は、前記窒素ガスボンベに配管を通して接続された第１圧力調整弁、窒素ガス用流量計及び比例混合弁の第１流量調整弁を備えるとともに、酸素ガスボンベに配管を介して接続された第２圧力調整弁、酸素ガス用流量計及び比例混合弁の第２流量調整弁を備え、第１流量調整弁及び第２流量調整弁には混合筒が接続され、該混合筒の出口側に接続した混合ガス供給配管には減圧弁が接続され、前記第１圧力調整弁の上流側の配管と減圧弁とがパイロット通路によって接続され、前記ガス混合装置からレーザ加工ヘッドに混合ガスを供給するようにしたレーザ加工機におけるアシストガス供給装置。