JP4820910B2

JP4820910B2 - レーザ切断方法、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断装置

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Publication number: JP4820910B2
Application number: JP2010075744A
Authority: JP
Inventors: 正幸長堀; 慎治沼田; 将史糸山
Original assignee: Nissan Tanaka Corp
Current assignee: Nissan Tanaka Corp
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: US9126288B2; CN102834217A; WO2011122159A1; KR20120125396A; CN102834217B; JP2011206798A; US20130015168A1; KR101395651B1

Description

この発明は、開口部からレーザ光を照射し、このレーザ光の周囲にアシストガスを噴射して被加工物を切断するレーザ切断方法、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断装置に関する。

周知のように、鋼材等の被加工物をレーザ切断する場合、レーザ発振器から照射されたレーザ光を、集光レンズにより集中させて切断部を加熱するとともに、このレーザ光の周囲を囲繞するようにノズルからアシストガスを噴射して切断部を覆いながら、切断部にて燃焼反応をさせて切断部を切断したり、レーザにより溶融した金属を吹き飛ばして切断するようになっている。
このようなレーザ切断方法では、加工効率を向上させるために種々のレーザ切断用ノズルに関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、従来のレーザ切断用ノズル１００を示す縦断面図であり、レーザ切断用ノズル１００は、ノズル本体１０１の軸線Ｏに対称に形成されており、ノズル孔１０２が軸線Ｏと同軸に形成されている。

ノズル孔１０２は、アシストガス流通方向の上流側を基端側とし、下流側を先端側とした場合に、ノズル本体１０１の基端側からノズル孔１０２先端の開口部１０２Ａに向かう順に、先端側が縮径されるテーパ部１０３と、テーパ部１０３の先端側に接続された円筒部１０４と、円筒部１０４の先端側に接続され開口部１０２Ａに向かって漸次拡径されるテーパ部１０５とを有している。

また、ノズル本体１０１の外形は、基端側がレーザ切断装置に装着するためのネジが形成された円筒部１０８とされ、円筒部１０８の先端側に大径部１０９が形成され、大径部１０９の先端側には開口部１０２Ａに向かって縮径されるテーパ部１１０が形成されている。
レーザ切断用ノズル１００は、かかる構成により、効率的なレーザ切断が可能とされている。

特開平７−２１４３６８号公報

しかしながら、従来のノズルで切断する場合、切断面粗度が粗いと被加工物を切断した後に表面粗度を小さくする為の加工が必要な場合があり、切断面の表面粗度を小さくすることが可能なレーザ切断技術に対する要請がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、被加工材をレーザ切断する場合に、切断面に大きな切断傷が発生するのを抑制して、切断面の表面粗度を小さくすることが可能なレーザ切断方法、レーザ切断用ノズル及びレーザ切断装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、ノズル本体に形成されたノズル孔を通じて、前記ノズル孔の開口部からレーザ光を照射するとともに前記レーザ光が通る軸線を囲繞してアシストガスを噴出するように構成されたレーザ切断用ノズルであって、前記ノズル孔は、前記アシストガスの流通方向上流から下流に向かって順に形成された第１の制御流路、第２の制御流路、第３の制御流路を有し、前記第１の制御流路は前記軸線と平行な壁部により形成されるとともに、外周側に拡大された段差を介して前記第２の制御流路と接続され、かつ前記第２の制御流路は、前記軸線と平行な壁部により形成される前記第３の制御流路と内周側に縮小された段差を介して接続されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザ切断用ノズルを備えることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、ノズル本体に形成されたノズル孔の開口部からレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光が通る軸線を囲繞してアシストガスを噴出して被加工物を切断するレーザ切断方法であって、前記ノズル孔を通じて前記開口部からアシストガスを噴射する際に、前記ノズル孔に前記軸線に平行な壁部により形成された第１の制御流路と、前記第１の制御流路に外周側に拡大された段差を介して接続された第２の制御流路と、前記第２の制御流路に内周側に縮小された段差を介して接続され前記軸線に平行な壁部により形成された第３の制御流路を、この順に通過させることを特徴とする。

この発明に係るレーザ切断用ノズル、レーザ切断装置、レーザ切断方法によれば、切断面の表面粗度を小さくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ切断用ノズルであって、前記第１の制御流路、前記第２の制御流路、前記第３の制御流路は、それぞれ円筒形状に形成されるとともに同軸上に配置され、それぞれの直径を、第１の制御流路：φＡ、第２の制御流路：φＢ、第３の制御流路：φＣとした場合に、φＡ＜ φＣ＜ φＢであることを特徴とする。

この発明に係るレーザ切断用ノズルによれば、簡単な構成により切断面の表面粗度を小さくすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のレーザ切断用ノズルであって、
φＡ： φＣ＝１：１．３〜３．０
であることを特徴とする。

この発明に係るレーザ切断用ノズルによれば、切断面の表面粗度を効率的に小さくすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のレーザ切断用ノズルであって、
φＣ： φＢ＝１：１．１〜３．０
であることを特徴とする。

この発明に係るレーザ切断用ノズルによれば、切断面の表面粗度を安定して小さくすることができる。これは、φＣ：φＢ＝１：１．１〜３．０の場合、φＢ／φＣを１．１以上とすることで、切断面の表面粗度を安定して小さくすることが可能となる。
なお、切断実験において、φＢ／φＣの上限値は特に認められなかったが、φＢ／φＣを３．０以下とすると、レーザ切断用ノズルの外形が過度に大きくなることを抑制して、ノズルの取扱いを容易にできる点で好適である。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は請求項４に記載のレーザ切断用ノズルであって、
Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡ
Ｌ２：第２の制御流路長、Ｌ３：第３の制御流路長、であることを特徴とする。

この発明に係るレーザ切断用ノズルによれば、Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡとされているので、切断面の表面粗さを効率的に小さくすることができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ切断装置を示す概略図である。本発明の第１の実施形態に係るレーザノズルを説明する縦断面図である。第１の実施形態に係るレーザノズルの概略を示す縦断面図である。本発明に係るレーザノズルの効果を説明する図である。本発明に係るレーザノズルの効果を説明する図である。本発明の第２の実施形態に係るレーザノズルを説明する縦断面図である。従来のレーザノズルの概略を示す縦断面図である。

以下、図１から図３を参照し、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るレーザ切断装置を示す図であり、符号１はレーザ切断装置を、符号１０はレーザ切断用ノズル（以下、単に「ノズル」と略称する）を示している。

レーザ切断装置１は、ノズル１０と、レーザ発振器２と、アシストガス供給装置３とを備え、レーザ発振器２で生成されたレーザ光Ｆを、ノズル１０のノズル孔１２から照射するとともに、アシストガス供給装置３から供給されるアシストガスGを、レーザ光Ｆの周囲を囲繞するようにノズル孔１２から噴出するようになっている。

ノズル孔１２から照射されたレーザ光Ｆは、被加工物５の切断部６に集光され、ノズル孔１２から噴射されるアシストガスGが、レーザ光Ｆの周囲を囲繞するように流れて、切断部６の周囲をアシストガスＧの雰囲気７により被覆して、レーザ光Ｆで加熱された切断部６をアシストガスＧにより燃焼反応させて切断したり、レーザにより溶融した金属を吹き飛ばして切断するようになっている。

アシストガス供給装置３は、例えば、Ｏ_２、Ｎ_２、Ａｒ、Ａｉｒ、Ｈｅなどのガス又は、Ｈ_２、Ｈｅから選択したガスを混合して生成したアシストガスＧを、０．０１〜３．０ＭＰａの圧力でノズル１０に供給するようになっている。

図２は、ノズル１０の概略を示す図である。
ノズル本体１１は、基端側がレーザ切断装置に装着するためのネジが形成された円筒部２１とされ、円筒部２１の先端側には大径部２２が形成され、大径部２２の先端側には、開口部１３に向かって縮径されるテーパ部２３が形成された外形を有しており、軸線Ｏと同軸にノズル孔１２が形成されている。

ノズル孔１２は、アシストガス流通方向の上流側を基端側とし、下流側を先端側とした場合に、基端側から順に、アシストガス導入部１２Ｄ、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃが形成されている。
また、アシストガス導入部１２Ｄ、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃは、軸線Ｏと同軸に形成されている。

アシストガス導入部１２Ｄは、先端側が、第１の制御流路１２Ａに向かって縮径するテーパ状に形成された円錐形状の一部からなるテーパ壁部１５により構成されている。
第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃは、それぞれ軸線Ｏに平行な円筒壁部１６、１７、１８により構成され、それぞれ制御流路は、図３に示すように、軸線Ｏと直交する段差を介して接続されている。

また、図３に示すように、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃ、それぞれの制御流路長及び直径を、
第１の制御流路１２Ａ：Ｌ１、φＡ
第２の制御流路１２Ｂ：Ｌ２、φＢ
第３の制御流路１２Ｃ：Ｌ３、φＣ
とした場合、
φＡ＜ φＣ＜ φＢとされている。
また、
φＡ： φＣ＝１：１．３〜３．０
また、
φＣ： φＢ＝１：１．１〜３．０
また、
Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡ
であることが好適である。
なお、レーザ光がノズル内壁部に干渉して切断効率が低下するのを防止するうえで、
５．０ ≧ （Ｌ２＋Ｌ３）／ φＡとすることがより好適である。

次に、図４を参照して、ノズル１０の作用について説明する。
図４は、ノズル１０を用いて、板厚１６ｍｍのステンレス鋼（被加工材）を切断した場合の第１の制御流路１２Ａの直径：φＡ、第２の制御流路１２Ｂの直径：φＢ、第３の制御流路１２Ｃの直径：φＣと、切断面の表面粗さとの関係を示すグラフである。

図４において、横軸はφＣ／φＡを、縦軸はφＢ／φＡを表しており、アシストガスＧの圧力；０．５ＭＰａ〜３．０Ｐａで切断した場合に、△は表面粗さＲｚ（ＪＩＳＢ０６０１−１９９４）；５０μｍ以上が発生する場合があり従来と同等レベルを、○は表面粗さＲｚ；３０μｍ以上５０μｍ未満となり改善されたところを、◎は表面粗さＲｚ；３０μｍ未満となり大幅に改善されたところを示している。

図４から、以下のことを確認することができる。
（１）φＣ／φＡ＝１．０で、かつφＢ／φＡ＝１．０である場合は、φＡ、φＢ、φＣが同径の従来ノズルを示しており、切断面の表面粗さは当然に従来レベル（△）である。
（２）φＢ＞ φＣ（＝（φＢ／φＣ＞１．０））、すなわちφＢ／φＡが直線Ｓ１よりも上側にあり、φＣ／φＡ＞１．０である場合には、切断面の表面粗さは従来ノズルの場合よりも小さくなる。
なお、図４において、φＣ／φＡ＝１．０〜１．１の間には、品質レベルを示していないが、φＣ／φＡ＞１．０のときは、φＣ／φＡが増加するにしたがって切断面の表面粗さは向上する。具体的には、φＣ／φＡ＝１．０〜１．１の範囲にて、切断面の表面粗さは、Ｒｚ５０μｍ以上である従来品質（△）からＲｚ５０〜３０μｍである切断面粗さ改善（○）まで漸次小さくなる。
また、φＣ／φＡが１．１〜１．３のとき、切断面の表面粗さは、Ｒｚ５０μｍ〜Ｒｚ３０μｍである切断面粗さ改善（○）からＲｚ３０μｍ以下である切断面粗さ大幅改善（◎）まで漸次小さくなる。
また、φＣ／φＡ＞１．３のとき、切断面の表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以下である切断面粗さ大幅改善（◎）となる。
なお、切断実験では、φＣ／φＡ＝１．０〜３．０の範囲を対象にして切断面の表面粗さが向上することを確認した。
（３）φＢ＞ φＣ（＝（φＢ／φＣ＞１．３））、すなわちφＢ／φＡが直線Ｓ２よりも上側にあり、φＣ／φＡ＞１．３である場合には、切断面の表面粗さは、Ｒｚ３０μｍ以下である切断面粗さ大幅改善（◎）となる。

次に、図５を参照して、ノズル１０の作用、効果について説明する。
図５は、ノズル１０を用いて、板厚１６ｍｍのステンレス鋼（被加工材）を切断した場合の、第１の制御流路１２Ａの直径：φＡ、第２の制御流路長：Ｌ２、第３の制御流路長：Ｌ３と、切断面（切断下部）の表面粗さとの関係を示すグラフである。

図５において、横軸は（Ｌ２＋Ｌ３）／φＡを、縦軸は切断面の表面粗さＲｚ（μｍ）を示しており、□はアシストガスＧの圧力；０．５ＭＰａ〜３．０Ｐａで切断した切断面の表面粗さのうち最大値を表している。
この実験において用いたノズルは、第１の制御流路１２Ａの直径：φＡ＝４ｍｍ、第２の制御流路１２Ｂの直径：φＢ＝１０ｍｍ、第３の制御流路１２Ｃの直径：φＣ＝７ｍｍである。
なお、切断面の表面粗さは、レーザ光がノズル内壁部に対する干渉を生じない５．０ ≧ （Ｌ２＋Ｌ３）／φＡの範囲で評価した。

図５から、以下のことを確認することができる。
（１）切断面の表面粗さは、（Ｌ２＋Ｌ３）／φＡに関係なく、従来より良好であることを示しており、（Ｌ２＋Ｌ３）／φＡが増加するにつれて、切断面の表面粗さは小さくなり品質が向上する。
（２）（Ｌ２＋Ｌ３）／φＡ ≧ ２．０である場合には、非常に安定した切断面が得られる。
以上のように、（Ｌ２＋Ｌ３）／φＡ ≧ ２．０を満足することにより、Ｒｚ３０μｍ以下の表面粗さを安定して確保できることがわかった。

以上のように、ノズル１０、レーザ切断装置１によれば、レーザ切断における切断面の表面粗度を小さくすることができる。
その結果、レーザ切断後に、さらに切断面の表面粗を小さくするための加工をすることが軽減され、レーザ切断する際の工数低減、コスト削減を実現することができる。
また、ノズル１０によれば、アシストガスＧの消費量が、従来のノズルでの消費量と同じで表面粗度を小さくすることができる。

また、５．０ ≧ （Ｌ２＋Ｌ３）／φＡとすることにより、照射されたレーザ光Ｆが、ノズル孔１２の円筒壁部１６、１７、１８との干渉がのを抑制することができる。

次に、図６を参照して、この発明の第２の実施形態について説明する。
図６は、第２の実施形態に係るノズル４０を示す図であり、ノズル４０は、ノズル本体１１と同形状の外形を有し、ノズル本体４１には、軸線Ｏと同軸に形成されたノズル孔４２が形成されている。

ノズル４０が、ノズル１０と異なるのは、ノズル１０においてテーパ状に形成されたアシストガス導入部１２Ｄに代えて、ノズル４０では、例えば、軸線Ｏに直交する面からなる段差を介して第１の制御流路１２Ａに接続されるアシストガス導入部４２Ａを有している点である。その他は、第１の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。なお、アシストガス導入部４２Ａは、軸線Ｏと平行な円筒壁部４５により構成されている。

また、ノズル１０と同様に、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃ、それぞれの制御流路長及び直径を、
第１の制御流路１２Ａ：Ｌ１、φＡ
第２の制御流路１２Ｂ：Ｌ２、φＢ
第３の制御流路１２Ｃ：Ｌ３、φＣ
とした場合に、 φＡ＜ φＣ＜ φＢであり、
さらに φＡ： φＣ＝１：１．３〜３．０、 φＣ： φＢ＝１：１．１〜３．０、Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡとされていることが好適である。
なお、レーザ光がノズル内壁部に干渉して切断効率が低下するのを防止するために、
第１の実施形態と同様、５．０ ≧ （Ｌ２＋Ｌ３）／φＡとするとより好適である。

ノズル４０により、ノズル１０同様の、作用、効果が得られることを確認した。
また、ノズル４０は、構成が簡単であるので容易に製造することができ、製造コストを削減することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。

例えば、上記実施の形態においては、アシストガス導入部１２Ｄが円錐形状の一部により構成され、アシストガス導入部４２Ａが円筒形状に構成される場合について説明したが、アシストガス導入部１２Ｄ、４２Ａを、円錐形状、円筒形状以外の形状としてもよく、例えば、アシストガス導入部１２Ｄや、アシストガス導入部４２Ａに代えて、ノズル本体１１、４１の軸線と一致する対称軸周りに形成される半球面や放物面等の曲面を、アシストガス導入部の内壁面をしてもよい。

また、レーザ切断装置のノズル取付部にアシストガス導入部が形成され、ノズル１０にはアシストガス導入部を形成しない構成としてもよい。

また、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃが、それぞれ軸線Ｏと直交する段差を介して接続される場合について説明したが、例えば、許容可能な範囲で、軸線Ｏと直交する面に対して傾斜する面を介して接続してもよい。

また、上記実施の形態においては、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃが、軸線Ｏと同軸の円筒壁部１６、１７、１８により構成される場合について説明したが、これら円筒壁部１６、１７、１８に代えて、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃのいずれか又は全部を、テーパ状壁部、樽状壁部、鼓状壁部等、又は他の形状に形成してもよい。

また、円筒壁部１６、１７、１８につき、多角形、楕円等の他形状、又はそれらを含んだ形状としてもよい。
また、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃのいずれか又は全部につき、例えば、偏心した配置等、軸線Ｏと同軸でない配置としてもよい。

また、上記実施の形態において示した、第１の制御流路１２Ａ、第２の制御流路１２Ｂ、第３の制御流路１２Ｃの直径、長さに関する寸法関係について、上記関係式を満足しない寸法関係とすることもできる。例えば、φＡ： φＣ＝１：１．３〜３．０、及び φＣ： φＢ＝１：１．１〜３．０、Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡに限定されない、すなわちこれら数式の一部又は全部を満足していなくてもよいことはいうまでもない。

また、ノズル１０、４０の外形については、任意の形状とすることが可能である。
また、上記実施の形態においては、アシストガスＧをノズル孔１２、４２に導入するアシストガス導入部１２Ｄ、４２Ａが、ノズル本体１１、４１の基端側に開口する場合について説明したが、例えば、アシストガス導入部１２Ｄ、４２ＡのアシストガスＧの流入口がノズル本体１１、４１の側部に形成されてもよい。

この発明に係るレーザ切断方法、レーザ切断用ノズル、レーザ切断装置によれば、切断面の表面粗度を小さくすることができるので、産業上利用可能である。

Ｆレーザ光
Ｇアシストガス
Ｏ軸線
１レーザ切断装置
５被加工物
１０、４０ノズル（レーザ切断用ノズル）
１１、４１ノズル本体
１２、４２ノズル孔
１２Ａ第１の制御流路
１２Ｂ第２の制御流路
１２Ｃ第３の制御流路
１３開口部

Claims

ノズル本体に形成されたノズル孔を通じて、前記ノズル孔の開口部からレーザ光を照射するとともに前記レーザ光が通る軸線を囲繞してアシストガスを噴出するように構成されたレーザ切断用ノズルであって、
前記ノズル孔は、
前記アシストガスの流通方向上流から下流に向かって順に形成された第１の制御流路、第２の制御流路、第３の制御流路を有し、
前記第１の制御流路は前記軸線と平行な壁部により形成されるとともに、外周側に拡大された段差を介して前記第２の制御流路と接続され、
かつ前記第２の制御流路は、前記軸線と平行な壁部により形成される前記第３の制御流路と内周側に縮小された段差を介して接続されることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
請求項１に記載のレーザ切断用ノズルであって、
前記第１の制御流路、前記第２の制御流路、前記第３の制御流路は、それぞれ円筒形状に形成されるとともに同軸上に配置され、それぞれの直径を、第１の制御流路：φＡ、第２の制御流路：φＢ、第３の制御流路：φＣとした場合に、
φＡ＜ φＣ＜ φＢ
であることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
請求項２に記載のレーザ切断用ノズルであって、
φＡ： φＣ＝１：１．３〜３．０
であることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
請求項３に記載のレーザ切断用ノズルであって、
φＣ： φＢ＝１：１．１〜３．０
であることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
請求項３又は請求項４に記載のレーザ切断用ノズルであって、
Ｌ２＋Ｌ３ ≧ ２．０×φＡ
Ｌ２：第２の制御流路長
Ｌ３：第３の制御流路長
であることを特徴とするレーザ切断用ノズル。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレーザ切断用ノズルを備えることを特徴とするレーザ切断装置。
ノズル本体に形成されたノズル孔の開口部からレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光が通る軸線を囲繞してアシストガスを噴出して被加工物を切断するレーザ切断方法であって、
前記ノズル孔を通じて前記開口部からアシストガスを噴射する際に、
前記ノズル孔に前記軸線に平行な壁部により形成された第１の制御流路と、前記第１の制御流路に外周側に拡大された段差を介して接続された第２の制御流路と、前記第２の制御流路に内周側に縮小された段差を介して接続され前記軸線に平行な壁部により形成された第３の制御流路を、この順に通過させることを特徴とするレーザ切断方法。