JP6002586B2 - ノズル及び粉塵の付着防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機におけるレーザ加工ヘッドの先端部（下端部）に着脱可能なノズル及び当該ノズルを使用した粉塵の付着防止方法に係り、さらに詳細には、レーザ加工を行うワークとレーザ加工ヘッドとの間隔を、静電容量形の近接センサによって検出して、前記間隔を常に一定に保持するレーザ加工ヘッドに使用されるノズル及び当該ノズルを使用した粉塵の付着防止方法に関する。

レーザ加工機によって、例えば板状のワークのレーザ切断加工を行う場合、レーザ加工ヘッドに備えたノズルとワークとの間隔寸法を一定に保持してレーザ切断加工を行っている。前記間隔寸法を一定に保持するために、レーザ加工ヘッドには、静電容量形の近接センサが備えられている。そして、ワークのレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工ヘッドの先端部に備えられたノズルは高温に加熱されるので、前記ノズルに対してアシストガスなどの流体を噴射して冷却されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−４７２７１号公報

前記特許文献１に記載のレーザ加工ヘッドにおける先端部の構成は、図３に示すとおりである。すなわち、レーザ加工ヘッド１０１には筒状のハウジング１０３が備えられており、このハウジング１０３内には筒状のガード電極１０５が備えられている。そして、前記ガード電極１０５の下部には、リング状の絶縁部材１０７を介して筒状のノズルホルダ１０９が備えられている。このノズルホルダ１０９の外周面と前記ハウジング１０３の下端部に備えた内方フランジ部１０３Ｆとの間には第２の絶縁部材１０７が介在してある。

前記ノズルホルダ１０９の下部にはノズル１１１が備えられている。そして、前記ノズル１１１を冷却するために、前記ハウジング１０３には冷却流体を供給する流体供給口１１３が設けられている。この流体供給口１１３からハウジング１０３内に供給された冷却流体は、ハウジング１０３の内周面と前記ガード電極１０５の外周面との間の環状の通路１１５を流下する。そして、前記通路１１５内を流下した冷却流体が、前記内方フランジ１０３Ｆに周方向に等間隔で形成された複数の貫通孔１０３Ｈから下方向へ噴射される。

前記貫通孔１０３Ｈから下方向へ噴出された冷却流体を、前記ノズル１１１側へ案内するために、前記ハウジング１０３における前記内方フランジ１０３Ｆの下面に接触したハウジングカバー１１７が前記ハウジング１０３に備えられている。そして、前記ハウジングカバー１１７の開口部の内周面と前記ノズルホルダ１０９の下端外周面との間の環状の間隙から、冷却流体が、前記ノズル１１１の水平な上面１１１Ｕへ噴射されることになる。前記構成により、ノズル１１１は、噴射される冷却流体によって冷却されることになる。

ところで、前記貫通孔１０３Ｈは、周方向に等間隔に備えられているので、前記貫通孔１０３Ｈの配置関係を示すと、図３（Ｂ）に示すごとき配置となる。したがって、前記各貫通孔１０３Ｈから噴出される冷却流体の流れを模擬的に示すと、矢印Ａで示すように、各貫通孔１０３Ｈから放射外方向へ広がるように流れることになる。しかし、各貫通孔１０３Ｈの間においては、冷却流体の噴出がないので、放射外方向へ噴出された冷却流体の一部は、矢印Ｂで示すように戻る傾向にある。

したがって、ワークのレーザ切断加工時に生じた微細な粉塵の一部が舞い上り、前記冷却流体によって前記ハウジングカバー１１７の下面と前記ノズル１１１の上面１１１Ｕとの間の間隙１１９内に入り込み、ハウジングカバー１１７とノズル１１１との間の絶縁が阻害されることがある。上述のように、ハウジングカバー１１７とノズル１１１とが導通されると、ワークとノズル１１１との間の間隙を正確に検出することができなくなるので、前記間隙１１９へ粉塵等が入り込むことを防止することが望まれていた。換言すれば、スパッタや粉塵等が上方に飛散することを防止することが望まれていた。

また、ワークのレーザ切断加工を行うとき、アシストガスとして酸素ガスを使用することがある。このアシストガスは、レーザ光と同軸にノズル１１１のノズル孔から下方向へ噴出される。アシストガスの圧力は、例えば０．１ＭＰａ程度であって、前記貫通孔１０３Ｈから噴出される冷却流体の圧力よりも極めて低圧である。したがって、前記貫通孔１０３Ｈから噴出されて間隙１１９から放射外方向へ噴出される冷却流体を下方向に指向すると、前記アシストガスの酸素雰囲気を害することがあり、加工精度に影響することがある。よって、前記冷却流体を下方向へ指向して噴出することは望ましいものではない。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッドにおける加工ヘッド本体の先端部に着脱可能なノズルであって、前記加工ヘッド本体に螺着固定する雄ねじ部を上面に備えたノズル本体の前記上面に、前記ノズル本体から噴出される流体を受け入れる凹部を備え、前記ノズル本体の先端部付近の外周面に備えた周溝に、前記上面側へ傾斜した傾斜面を備え、前記凹部と前記周溝とを連通した複数の連通孔を前記ノズル本体に備えていることを特徴とするものである。

また、前記ノズルにおいて、前記周溝よりも下側の下端外表面に、スパッタ付着防止用の硬質クロムメッキが行われていることを特徴とするものである。

また、前記ノズルにおいて、前記各連通孔から噴出された流体に旋回流を生じさせるために、前記各連通孔は、ノズルの軸心に対して周方向に傾斜してあることを特徴とするものである。

また、前記ノズルを使用した粉塵の付着防止方法であって、複数の連通孔から前記周溝へ噴出された流体を、当該周溝に備えた前記傾斜面に沿った放射外方向への流れとすることにより、レーザ光をワークへ照射したレーザ加工位置から上方向へ飛散される粉塵の飛散方向に沿う方向の流れに変更し、前記レーザ加工位置から飛散した粉塵を前記流体の流れに引き入れて、前記ノズルの前記周溝よりも上方位置への粉塵の付着を防止することを特徴とするものである。

また、前記粉塵の付着防止方法であって、前記周溝からの放射外方向への流体の流速は、前記粉塵の上方向への飛散速度よりも大であることを特徴とするものである。

本発明によれば、ノズル本体から噴出される流体によってノズルの冷却を行うことができると共に、ノズル本体の先端付近に備えた周溝から放射外方向へ噴出される流体によって、当該周溝よりも上側への粉塵の付着を防止できるものである。

また、本発明によれば、アシストガスとして酸素ガスを使用してレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工位置から飛散される粉塵等のノズル上部側への付着防止は、放射外方向であって上方向へ流れる流体によって効果的に行われる。

したがって、本発明によれば、ノズルの冷却、粉塵等の付着防止が、レーザ切断加工領域付近の酸素雰囲気を阻害することなく効果的に行われ得るものである。

本発明の実施形態に係るノズル及びレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した説明図である。 ノズルの斜視説明図である。 従来のレーザ加工ヘッドにおける先端部の構成及びその問題点を示す説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、前述した従来の構成と同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、外筒３を備えており、この外筒３内には、レーザ光ＬＢを集光する集光レンズ（図示省略）を備えた筒状の加工ヘッド本体５が一体的に備えられている。前記加工ヘッド本体５における下端部付近には周溝７が備えられており、この周溝７には、前記加工ヘッド本体５の下面に形成した環状の凹部９に連通した複数の流体噴出孔１１が連通してある。なお、前記流体噴出孔１１は、周方向に等間隔に備えられている。そして、前記外筒３には、適宜の冷却流体供給源に接続した接続路１３が備えられており、この接続路１３は、前記周溝７に接続してある。

したがって、冷却流体供給源から前記接続路１３に冷却用の流体を供給すると、上記流体は、前記周溝７を経て複数の前記流体噴出孔１１から下方向へ噴出されることになる。

前記加工ヘッド本体５の先端部（下端部）には、ノズル１５が着脱可能に備えられている。より詳細には、前記ノズル１５はノズル本体１７を備えており、このノズル本体１７における上面中央部には、前記加工ヘッド本体５の下端部に形成した雌ねじ部に着脱可能に螺合した雄ねじ部１９が備えられている。このノズル本体１７は、静電容量形の近接センサの一部を構成するものであって、前記外筒３等とは適宜に絶縁して備えられている。

前記加工ヘッド本体５の下面に対向した前記ノズル本体１７の上面には、前記流体噴出孔１１から下方向へ噴出される流体を受け入れる環状の凹部２１が加工ヘッド本体５の前記凹部９と対向して備えられている。なお、前記流体噴出孔１１から下方向へ噴出された流体が外部へ漏出することを防止するために、前記加工ヘッド本体５の下面とノズル本体１７の上面との間には適宜のシール部材を介在することが望ましいものである。

前記ノズル１５のノズル本体１７は、先端部に小径のノズル孔２３を備えた構成であって、内部には一般的なノズルと同様に、前記ノズル孔２３に連通したテーパ孔が備えられている。前記ノズル本体１７は、下端側（先端側）の外径が次第に小径になるテーパ状に形成してあり、このノズル本体１７における先端部付近の外周面には周溝２５が備えられている。そして、上記周溝２５と上面の前記凹部２１は、複数の連通孔２７によって連通してある。前記複数の連通孔２７は周方向に等間隔に備えられている。なお、前記各連通孔２７から前記周溝２５内へ噴出される流体に旋回流を生じさせるために、前記各連通孔２７は、前記ノズル本体１７の軸心に対して周方向に傾斜していることが望ましいものである。

前記周溝２５は、前記各連通孔２７から噴出された流体を放射外方向へ噴出するとき、水平ではなく斜め上方向へ噴出する構成としてある。より詳細には、前記周溝２５の下面２５Ｌは、外周側が高くなる傾斜面（テーパ面）に形成してある。したがって、前記各連通孔２７から前記周溝２５内へ噴出された流体は、図１に矢印Ａで示すように、放射外方向であって斜め上方向へ噴出されることになるものである。

前記構成において、集光レンズによってレーザ光ＬＢを集光してワークＷに照射すると共に、ノズル本体１７のノズル孔２３からワークＷへアシストガスを噴射することにより、ワークＷにレーザ加工が行われることになる。上述のように、ワークＷのレーザ加工を行うとき、ワークＷのレーザ加工位置からはスパッタや微細な粉塵等の一部が上方向へ飛散される。したがって、飛散したスパッタや粉塵等の一部は、ノズル本体１７における前記周溝２５より下側の下面１７Ｌ、すなわち、先端外表面に付着することになる。

前述のごとく、レーザ加工時に生じたスパッタや粉塵の一部は、前記ノズル本体１７における前記周溝２５よりも上側の表面や、前記外筒３とノズル本体１７とが近接した位置にも付着する傾向にあり、前記外筒３とノズル本体１７との絶縁が阻害されることがある。このように、ノズル本体１７と外筒３との絶縁が阻害されると、ワークＷとノズル本体１７との間の間隙を正確に検出することができなくなるので、前記外筒３とノズル本体１７との間の絶縁が阻害されることは望ましいものではない。

ところで、本実施形態においては、前記連通孔２７からノズル本体１７の周溝２５内へ噴出される流体の噴出圧は、ノズル本体１７のノズル孔２３から噴出されるアシストガスの噴出圧より大であり、前記周溝２５から放射外方であって斜め上方向へ噴出される流体の流速は、レーザ加工位置から飛散されるスパッタや粉塵等の上方向への飛散速度よりも大である。

したがって、例えば、図１に矢印Ｂで示すように、前記レーザ加工位置から斜め上方向に飛散するスパッタや粉塵等の飛散方向は、前記ノズル本体１７の周溝２５から斜め上方向に噴出される流体の噴出方向にほぼ沿う方向となるものであって、前記周溝２５から噴出される流体の流れに引き込まれ易いものである。よって、レーザ加工位置から斜め上方向へ飛散する粉塵等が前記周溝２５よりも上側のノズル本体１７の表面や外筒３に付着することを効果的に防止することができ、前記外筒３とノズル本体１７との絶縁状態を良好に維持することができるものである。

既に理解されるように、ノズル本体１７における周溝２５の下面２５Ｌが斜め上方向に傾斜したテーパ面に形成してあることにより、前記周溝２５から放射外方向へ噴出される流体の流れを、斜め上方向に、換言すれば、レーザ加工位置から斜め上方向へ飛散される粉塵等の飛散方向にほぼ沿う方向に変更することができる。したがって、レーザ加工位置から斜め上方向に飛散される粉塵等を前記流体の流れ方向に誘導し易いものであり、粉塵等が前記周溝２５よりも上方向に飛散することを効果的に防止することができるものである。そして、前記周溝２５から放射外方向へ噴出される流体の流れを旋回流とすることにより、粉塵等が周溝よりも上方向に飛散することを、さらに効果的に防止することができるものである。

ところで、冷却流体は、前記周溝２５から放射外方向であって上方向へ指向して噴出されるものであるから、アシストガスとして酸素ガスを使用するとき、レーザ切断加工領域付近の酸素雰囲気を良好に保持することができ、レーザ切断加工が良好に行われ得るものである。

前述のごとく、ワークＷにレーザ光ＬＢを照射してワークＷのレーザ加工を行うと、レーザ加工位置からの放射熱によって、前記ノズル本体１７の先端外表面（下面）１７Ｌが加熱されることになる。そして、熱伝導によってノズル本体１７全体が加熱されると共に、外筒３や加工ヘッド本体５が加熱されることになる。

ところで、本実施形態に係るノズル本体１７においては、ノズル本体１７の先端付近の外周面に周溝２５を形成した構成であって、この周溝２５内へ冷却用の流体を噴出する構成である。したがって、前記ノズル本体１７の基端側１７Ａと先端側１７Ｂは、前記周溝２５の底部における薄肉部１７Ｃでもって接続した形態である。よって、前記先端側１７Ｂから前記基端側１７Ａへ移動する熱量を伝えるための伝熱面積は小さくなり、先端側１７Ｂから基端側１７Ａへの伝熱量を抑制することができるものである。そして、ノズル本体１７に備えた複数の連通孔２７から前記周溝２５内であって前記先端側１７Ｂへ冷却流体が噴出されるものであるから、先端側１７Ｂの冷却を効果的に行うことができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、本実施形態に係るノズルにおいては、ノズル本体１７の先端部付近の外周面に周溝２５を備えることによって、先端側１７Ｂから基端側１７Ａへの伝熱面積を小さくしてある。そして、前記周溝２５内へ冷却用の流体を噴出して冷却を行うものであるから、ノズル本体１７における基端側１７Ａの温度上昇を効果的に抑制することができるものである。

また、前記周溝２５から放射外方向へ噴出される冷却用の流体を、斜め上方向へ噴出することによって、レーザ加工位置から斜め上方向へ飛散する粉塵等を流体の流れ方向へ誘導し易いものであり、粉塵等が前記周溝２５よりも上方向へ飛散することを効果的に抑制することができるものである。

なお、本発明は、前記実施形態に限ることなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。例えば、前記周溝２５における下面２５Ｌに周方向又は放射方向の溝又は突条等を備えて旋回流を生じさせると共に流体と接触する表面積をより大きくすることも可能である。

１ レーザ加工ヘッド
３ 外筒
５ 加工ヘッド本体
７ 周溝
１１ 流体噴出孔
１５ ノズル
１７ ノズル本体
１７Ａ 基端側
１７Ｂ 先端側
１７Ｃ 薄肉部
１７Ｌ 下面（先端外表面）
１９ 雄ねじ部
２１ 環状の凹部
２３ ノズル孔
２５ 周溝
２５Ｌ 下面
２７ 連通孔

Claims (5)

1. レーザ加工ヘッドにおける加工ヘッド本体の先端部に着脱可能なノズルであって、前記加工ヘッド本体に螺着固定する雄ねじ部を上面に備えたノズル本体の前記上面に、前記ノズル本体から噴出される流体を受け入れる凹部を備え、前記ノズル本体の先端部付近の外周面に備えた周溝に、前記上面側へ傾斜した傾斜面を備え、前記凹部と前記周溝とを連通した複数の連通孔を前記ノズル本体に備えていることを特徴とするノズル。
2. 請求項１に記載のノズルにおいて、前記周溝よりも下側の下端外表面に、スパッタ付着防止用の硬質クロムメッキが行われていることを特徴とするノズル。
3. 請求項１又は２に記載のノズルにおいて、前記各連通孔から噴出された流体に旋回流を生じさせるために、前記各連通孔は、ノズルの軸心に対して周方向に傾斜してあることを特徴とするノズル。
4. 請求項１，２又は３に記載のノズルを使用した粉塵の付着防止方法であって、複数の連通孔から前記周溝へ噴出された流体を、当該周溝に備えた前記傾斜面に沿った放射外方向への流れとすることにより、レーザ光をワークへ照射したレーザ加工位置から上方向へ飛散される粉塵の飛散方向に沿う方向の流れに変更し、前記レーザ加工位置から飛散した粉塵を前記流体の流れに引き入れて、前記ノズルの前記周溝よりも上方位置への粉塵の付着を防止することを特徴とする粉塵の付着防止方法。
5. 請求項４に記載の粉塵の付着防止方法であって、前記周溝からの放射外方向への流体の流速は、前記粉塵の上方向への飛散速度よりも大であることを特徴とする粉塵の付着防止方法。

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