JP6242908B2 - 外装モバイル要素を有するレーザーノズル - Google Patents

Description

本発明は、切断ガスが切断カーフに送り込まれることを可能にする裾部を備える可動要素を有し、その上、工業的により容易に実施できる、レーザービーム切断に用いられるレーザーノズルに関する。

レーザービーム切断は、ガスを流しレーザービームを通過させる、一般に銅から製作されるノズルを使用する必要がある。ガス及びビームは、ノズルの本体を貫通する軸方向通路を通って、切断される部位まで送られる。これらノズルは、通常、０．６〜２ｍｍからなる作動距離に対して、０．５〜３ｍｍからなる出口オリフィス直径を有する。
切断を可能にするために、確実にガスがカーフに貫入し溶融金属を流し出すように、集束ヘッド内では一般に数バールの高圧力を使用する必要がある。
しかし、使用されるガスの大部分、通常５０〜９０％は、切断カーフの両側に失われるので、切断プロセス、すなわち溶融金属の除去に関与しない。
これらのガス損失は、実際上、ノズルオリフィスの流れ断面積と焦点の大きさとの差が非常に大きいことによる。すなわち、たとえば、１．５ｍｍ相当の直径の出口オリフィスを有するノズルの流れ断面積は、このノズルを通過するレーザービームによって生成される焦点の断面積よりも２５倍大きい。
他方、カーフに貫入するガスの量が不十分な場合、切断欠陥が、特にばりの付着及び／又は酸化痕として現れるのが見られることになる。
この問題をノズルのオリフィスの直径を減少することによって解決する試みは、その場合、レーザービームがノズル内部に当たりそれを劣化させることになるリスクを負うので、理想的ではない。ノズルのオリフィスの直径を減少すると、その上、切断品質及び／又は性能も低下する。

さらに、ガスのカーフへの貫入を増強しようと試みる様々な解決策を提案する多数の文献が存在し、たとえば、ＥＰ−Ａ−１６６９１５９号、ＪＰ−Ａ−６２００６７９０号、ＪＰ−Ａ−６１０３７３９３号、ＪＰ−Ａ−６３１０８９９２号、ＪＰ−Ａ−６３０４０６９５号、ＵＳ−Ａ−４，０３１，３５１号、ＵＳ ３，３８３，４９１号、ＤＥ １９８ ５３ ７６５号及びＪＰ−Ａ−２００３−２６０５８２号の諸文献である。

しかし、これらの解決策は、いずれも、実施するのに複雑な構造を持ち、従来のノズルに比べて過度に嵩張り、及び／又は効果が限られているので、真に理想的ではない。
文献、ＵＳ ３，３８３，４９１号は、特に、可動要素を備え、その可動要素の端部が、切断される部位の表面にばねによって押し付けられ、それによって切断ガスのカーフへの吹込みが増強される、レーザー切断ノズルを開示する。文献ＤＥ １９８ ５３ ７６５号もまた、同様な効果を有するばねを記載する。
この解決策は、いくつかの問題をもたらす。一方で、ばねによって板の方向に加えられる力によって、可動要素がかなりの力を切断される板に掛けることになる。したがって、板は一般に切断機の台上にただ単に置かれているので、板が、可動要素によって、変形させられ、擦り傷を付けられ、又は引き摺られたりさえするリスクがある。他方で、そのデバイスは、実施するのに複雑であり、従来のレーザーノズルよりかなり嵩張る。これは、鱗模様状の複数の部品、すなわち所与の板上に互いに極めて近接して配置されている複数の部品を切断する場合には、問題を生じる。しかし、このタイプの切断は、それによってもたらされる材料の節約のために、レーザー切断業では広く用いられている。

代替解決策が、２０１１年５月１６日に出願され、本願の出願時点では未公開の仏国特許出願第１，１５４，２２４号に提案されている。その解決策は、可動要素をレーザーノズルの本体内に配置することにある。この可動要素は、前記本体内で、ガスの圧力の下に、切断される板の表面の方向に軸方向に移動することができる。すなわち、可動要素は、切断される板の上面に向かってその上面に接触するまで移動する。それにより、可動要素は、切断ガスをカーフ内に導き集中させる裾部を形成し、それによって、ガスを前記カーフに貫入させ、その効果を向上させる。
しかし、この解決策は、可動要素が、レーザーノズルの本体そのものの内部、より正確にはノズルの本体の軸方向通路内に配置されなければならないので、理想的でない。
したがって、ガスの効果を増強し、その上、広く市場に流通する既存のレーザーノズルに、その内部の形状を変更することなしに簡単な改修を行うことによって、容易に実施することができる解決策を提供する必要がある。

これら従来のレーザーノズルは様々な形状を有し、各モデルは、１種類の切断プロセス、１種類のレーザービーム、１種類の集束ヘッドなどに対して専用である。したがって、工業上の実施性の点で、それらノズルの大部分さらには全てに適合する解決策を提供することが極めて重要である。
しかし、レーザー切断業界で使用される多くのノズルの本体は、仏国特許出願第１ １５４ ２２４号による内蔵可動要素用の軸方向ハウジングをその中に配置することを可能にするのに十分な容積体を擁していない。
さらに、ある種の切断用途では「２重流れ」ノズルと呼ばれるものを使用する必要があり、このノズルは、軸方向ガス通路に加えて、ノズル本体の中を通り前記軸方向通路に近接して配置された少なくとも１つの側方ガス通路を備える。１つ又は複数のこの追加通路が存在すると、ノズルの本体内にハウジングを機械加工すること、すなわち内蔵可動要素がその中に配置されることを可能にするために当初の軸方向通路を広げることが困難になる。
その上、従来のノズルの軸方向通路内に、事前にその通路を広げることなく、可動要素を配置することによる解決策は、集束レーザービームを通過させるのに利用できる空間を減少させるので、満足のいくものではない。これは、可動要素及び／又はノズル本体の内壁を加熱し、又は劣化すらさせ、それによって、切断性能及び／又は品質ならびにプロセスの生産性を低下させることにもなる危険性を生じさせる。

したがって、対処される課題は、レーザー切断に用いられるガスの効果が改善されることをとりわけ可能にし、他方で、既存の解決策に比べて、工業的に遥かに容易に実施でき、寿命が大幅に向上し、その上、既存の従来のレーザーノズルの大部分さらには全てと互換性のあるレーザーノズルを提供することによって、前述の短所の全て又は一部をいかに緩和するかという課題である。
したがって、本発明の解決策は、
− 第１の軸方向通路を備えるノズル本体と、
− 軸方向ハウジングを備える外側カバーであって、ノズル本体が、少なくとも部分的に前記軸方向ハウジング内に配置される、外側カバーと、
− 第２の軸方向通路と、裾部を形成する前方部分とを備える可動要素であって、外側カバーとノズル本体との間に配置され、外側カバーの軸方向ハウジング内で並進的に移動可能である可動要素と
を備えるレーザーノズルである。

場合に応じて、本発明のノズルは、下記の技術的特徴の１つ又は複数を備え得る。すなわち、それらは、
− 外側カバーの軸方向ハウジングが、その外側カバーの前面に位置する第１の出口オリフィスを備え、可動要素は、可動要素の裾部を形成する前方部分が軸方向ハウジングの前記第１の出口オリフィスを通って軸方向ハウジングから突出するまで、軸方向ハウジング内で第１の出口オリフィスの方向に並進移動することができ、そのように設計され、
− ノズル本体、外側カバー、及び可動要素が、互いに同軸に配置された軸対称部品であり、ノズル本体が、可動要素の第２の軸方向通路内に少なくとも部分的に配置された前方部分を備え、
− ノズル本体の第１の軸方向通路が、前記ノズル本体の前方部分に位置する第２の出口オリフィスを備え、可動要素の第２の軸方向通路が、可動要素の裾部を形成する前方部分に位置する第３の出口オリフィスを備え、該前方部分が軸方向ハウジングから突出すると、前記第３の出口オリフィスが前記第２の出口オリフィスの下流に開口し、
− 可動要素が、前記軸方向ハウジング内に加えられ、前記可動要素に掛けられるガス圧力の作用下で、軸方向ハウジング内で第１の出口オリフィスの方向に並進移動することができ、そのように設計され、
− ノズル本体が、前記ノズル本体内に配置され、ノズル本体の第１の軸方向通路と外側カバーの軸方向ハウジングとを流体連通させる少なくとも１つのガス供給ダクトを備え、
− 弾性要素が、外側カバーとノズル本体との間で、軸方向ハウジング内に配置され、前記弾性要素が、軸方向ハウジング内での第１の出口オリフィスの方向での可動要素の並進移動に対抗するようになされた弾性復元力を可動要素に掛け、
− 軸方向ハウジングが、好ましくは前記軸方向ハウジングの底部に配置された内側肩部を備え、可動要素の外周壁が、前記肩部に面して配置された当接部を備え、弾性要素が、当接部と内側肩部との間に配置され、
− ノズルが、ノズル本体の前方部分の全て又はその一部分の周りにスリーブを形成する管状要素をさらに備え、管状要素が電気絶縁材料から形成され、
− 可動要素が、
・可動要素の前方部分が、完全又はほほ完全に軸方向ハウジングに引き込まれている休止位置と、
・可動要素の前方部分の裾部が、軸方向ハウジングから第１の出口オリフィスを通って完全又はほぼ完全に突出している作動位置とを含む複数の位置の間を移動することができることである。

また、本発明は、少なくとも１つの集束光学要素、たとえば１つ又は複数のレンズ又はミラー、特に集束レンズとコリメーティングレンズとを備えるレーザー集束ヘッドにおいて、本発明によるレーザーノズルをさらに備えることを特徴とするレーザー集束ヘッドに関する。
さらに、本発明は、レーザー発生器と、レーザー集束ヘッドと、前記レーザー発生器と前記レーザー集束ヘッドとに接続されたレーザービーム案内デバイスとを備えるレーザー装置において、レーザー集束ヘッドが本発明によることを特徴とするレーザー装置に関する。
好ましくは、発生器又はレーザー源は、ＣＯ_２、ＹＡＧ、ファイバー、又はディスクレーザーであり、好ましくは、ファイバー又はディスクレーザーであり、特にイッテルビウムファイバーレーザー源である。
別の態様によれば、本発明はまた、本発明によるノズル、本発明によるレーザー集束ヘッド、又は本発明による装置を用いるレーザービーム切断プロセスに関する。
ここで、本発明が、添付図面を参照して示される以下の説明によってより良く理解されるであろう。

従来のレーザー切断装置の集束ヘッドの概略図。 ノズルオリフィスの大きさに対するレーザースポットの大きさの概略図。 本発明の一実施形態によるノズルの概略断面図。 本発明の一実施形態によるノズルのある構成要素の概略断面図。 可動要素が図２に示される位置とは異なる位置を取る、本発明の別の実施形態によるノズルの概略断面図。 可動要素が２つの異なる位置を取る、作動中の本発明によるノズルの概略図。

図１Ａは、従来のレーザーノズル２１が取り付けられた、従来のレーザー切断装置の集束ヘッド２０を示し、前記ノズルは、集束レーザービームと、切断される金属部品３０、たとえば鋼板又はステンレス鋼板にビーム２２によって形成された切断カーフ３１から、ビームによって溶解された金属を追い出すように働く補助ガス（矢印２３）とによって通過される。
補助ガスは、酸素、空気、ＣＯ_２、水素などの活性ガス、若しくはアルゴン、窒素、ヘリウムなどの不活性ガス、又は複数のこれら活性及び／若しくは不活性ガスの混合物でよい。ガスの成分は、特に、切断される部品の性質に応じて選択される。

部品に衝突させられるビームが、その衝突点で金属を溶融し、その金属が、補助ガスの圧力によって部品の下へ追い出される。

図１Ｂは、ビーム２２の焦点の大きさＳ２に対するノズル２１のオリフィス２４の流れ断面積Ｓ１を示す。見て分かるように、面積Ｓ１は、ビーム２２の焦点の大きさＳ２より極めて遥かに大きく、従来のノズルでは、補助ガスを大きく消費することになり、補助ガスの僅かな部分のみが溶融金属を切断カーフ３１から追い出すために役立つことになる。
図１Ａの従来のレーザーノズルの本体内部に、より正確には前記ノズルの軸方向通路内に、内蔵可動要素を配置する必要をなくすために、本発明は、外装可動要素を有するレーザーノズルを提供する。
実際に、図２に示される本発明のレーザーノズルは、ノズル本体１と、ノズルの本体１の少なくとも一部分の周りに移動可能に配置された可動要素３と相互作用する、図３Ａに示される外側カバー１３とを備える。本発明による可動要素３は、図３Ｂに概略的に示されている。
より正確には、好ましくはたとえば銅や黄銅などの導電性材料から形成されたノズル本体１が、レーザー装置のレーザー集束ヘッド２０に取り付けられるようになされている。
有利には、ノズル本体１は、対称軸ＡＡでの第１の軸方向通路５が端から端まで貫通する軸対象部品であり、前記通路５は、本体１の後方部分１ｂから前記本体１の前方部分１ａまで延在する。

本発明の場合、表現「前面」及び「前方部分」は、ノズルが使用されているとき切断される板の側に位置する、レーザーノズルの要素の部分を意味すると理解される。反対側の部分又は面は、用語「後方」によって示される。
第１の軸方向通路５は、ノズル本体１の２つの前方及び後方部分１ａ及び１ｂから出る。したがって、後方部分１ｂは、第２の入口オリフィス１１’を擁し、他方、前方部分１ａはノズル本体１の第２の出口オリフィス１１を擁し、第２の入口及び出口オリフィス１１’、１１は同軸であり、軸ＡＡによる。
この第１の軸方向通路５は、事実上、空腔であり、たとえば一般に円筒形状又は円錐台形状など様々な形状を取ることができ、円筒形出口チャネルは先細−末広、すなわち「ドラバル」形状でも、任意の他の形状でもよい。
第２の出口オリフィス１１は、好ましくは断面が円形であり、好ましくは０．５〜５ｍｍからなる直径である。

外側カバー１３は、ノズル本体１が少なくとも部分的にその中に配置される軸方向ハウジング７を、好ましくは前記本体１と同軸に備える。図３Ａで分かるように、軸方向ハウジング７は、外側カバー１３を端まで貫通し、殊に、外側カバー１３の前面１３ａに位置する第１の出口オリフィス１４を備える。
有利には、外側カバー１３は、ハウジング７の中心に向かって半径方向に突出する内側肩部９を備える底部１５を備え、前記内側肩部９は、第１の出口オリフィス１４での軸方向ハウジング７の断面の狭窄部１５によって形成される。
本発明によれば、ノズルは、外側カバー１３とノズル本体１との間で、外側カバー１３の軸方向ハウジング７に挿入される可動要素３をさらに備える。この可動要素３は、可動要素３の裾部を形成する前方部分３ａが、図２に示されるように、第１の出口オリフィス１４を通って前記ハウジング７から突出するまで、外側カバー１３の第１のハウジング７内で軸ＡＡに沿って並進して移動することが可能であり、そのように設計されている。
図３Ｂに見られるように、可動要素３は、有利には、ほぼ円筒形、すなわち管状の裾部を形成する前方部分３ａを備える軸対称部部品である。可動要素３は、裾部を形成する前方部分３ａから出る、第３の出口オリフィス１２を有する第２の軸方向通路４をさらに備える。
より正確には、可動要素３の前方部分３ａが軸方向ハウジング７から突出するとき、好ましくは円形断面である、可動要素３の第３の出口オリフィス１２が、ノズル本体１の第２の出口オリフィス１１の下流に開口する。

可動要素３の外周壁は、有利には、可動要素３が軸方向ハウジング７内に配置されたとき内側肩部９に面して配置される当接部１０を備える。
好ましくは、可動要素３、ノズル本体１、及び外側カバー１３は、一体構造の各部品であり、相互に同軸に配置されている。言い換えれば、可動要素３の対称軸及び外側カバー１３の対称軸は、ノズル本体１の軸ＡＡと同軸又は実質的に同軸である。
有利には、ノズル本体１の前方部分１ａは、可動要素３の第２の軸方向通路４内に少なくとも配置される。可動要素３は、ノズル本体１の前記前方部分１ａの外周壁に沿って軸方向に移動することができる。可動要素３の第２の軸方向通路４及び前方部分１ａの外周壁は、好ましくは、円筒形状を有する。
したがって、本発明によれば、可動要素３は、ノズル本体１の前方部分１ａの少なくとも一部分の周り、すなわちノズル本体１の内部でなくその外側に配置された外部要素である。
好ましくは、可動要素３が、軸方向ハウジング７に加えられ前記可動要素３に掛けられるガスの圧力の作用の下に、軸方向ハウジング７内を第１の出口オリフィス１４の方向に並進移動することができる。可動要素３は、有利には、当接部１０及び肩部９により、少なくとも部分的にハウジング７内に維持される。

図２〜４、５Ａ、及び５Ｂに示される本発明の特に有利な一実施形態によれば、ノズル本体１が、前記ノズル本体１内に配置され、ノズル本体１の第１の軸方向通路５と外側カバー１３の軸方向ハウジング７とを流体連通させる少なくとも１つのガス供給ダクト６を備える。好ましくは、ノズル本体１は、その本体１を貫通する１〜２０本のダクト６、好ましくは３〜８本のダクト６を備える。これらダクト６は、好ましくは、本体１内に作られた空腔又は穴であり、さらに好ましくは、円形断面で、約０．５〜５ｍｍの直径でよい。
実際には、本発明のノズルは、工業用レーザー切断装置に取り付けられる集束ヘッドを装備するように意図されている。このタイプの装置は、従来、少なくとも１つのラインに接続された少なくとも１つの補助ガス源を備える。このラインは、集束ヘッド、より正確にはそのヘッドの内部空間にガスを供給することができ、そのように設計されている。
レーザーノズルは、入口オリフィス１１’によって集束ヘッドに流体接続され、それによって、集束ヘッドの内部空間とノズル本体１の第１の軸方向通路５とが流体連通される。このようにして、集束ヘッドを満たした切断ガス２３が、本発明によるレーザーノズルを通して給送される。

有利には、ノズルの可動要素３は、ガス供給源が集束ヘッド及びレーザーノズルの軸方向通路５にガスを供給したとき、外側カバー１３のハウジング７内を並進移動することができ、そのように設計されている。ガス２３が、そのとき、前記可動要素３にガスの圧力を掛け、それが、前記可動要素３をハウジング７内で移動させる。
実際に、本発明によるノズルの使用中、レーザービーム２２及び補助ガス２３は、ノズル本体１の第１の軸方向通路５を通過し、本体１の前方部分１ａに位置する第２の出口オリフィス１１から出る。
図２に見られるように、ガス２３がノズル本体１の第１の軸方向通路５に供給されると、第１の軸方向通路５に給送されたガスの一部分が、１つ又は複数のガス供給ダクト６も満たす。
ダクト６は、バイパスダクトの役割を果たし、前記ガス２３の少なくとも一部分を外側カバー１３の軸方向ハウジング７へ給送し、その結果、ガスの圧力が、軸方向ハウジング７に加わり、可動要素３に掛かる。

可動要素３は、このように、補助ガス２３の圧力の作用の下に、ノズルの本体１及び外側カバー１３に対して軸方向に移動し、それにより、可動要素を切断される部品３０の方向に押すことになる。可動要素３が軸ＡＡに沿って並進移動することにより、裾部３ａを切断される板３０の上面に近付けさせ、それにより、図５Ｂに示されるように、相互に接触させる。
それにより、ガスは、裾部３ａによって導かれてレーザースポット、したがってカーフに集中され、それによって、ガスの効果及び金属の排除を大幅に向上強化させる。
有利には、ばねなどの弾性要素８が、外側カバー１３とノズル本体１との間で軸方向ハウジング７内に配置され、それによって、切断される部品３０から可動要素３を引き離そうとする方向に可動要素３に弾性復元力を掛ける。言い換えれば、要素８によって掛けられる弾性復元力は、第１の出口オリフィス１４の方向の可動要素３の並進移動に対抗しようとする。

本発明の場合、弾性要素８は、外側カバー１３とノズル本体１との間で軸方向ハウジング７内、好ましくは、肩部９と当接部１０との間に配置される。
したがって、切断の終了時点で、ガスが遮断され、ガスの圧力が可動要素３に掛けられるのが終わると、可動要素３は、その休止位置へ、すなわち裾部３ａがハウジング７に引き込まれるまで戻され得る。
それによって、弾性要素８は、一般に切断段階に先行する板の穿孔段階中の裾部３ａの損耗を抑制させる効果を可能にする。具体的には、この穿孔は、殆どの場合、通常４バールより低い、低ガス圧下で行われる。そのとき、弾性要素は、裾部３ａが完全又はほぼ完全にハウジング７に引っ込むのに十分な回復力を掛け、それによって、裾部が、穿孔によって発生する溶融金属のスパッタから保護される。

また、弾性要素８は、切断ガス又はビームがなければ、そのときガスの圧力が可動要素に掛からなくなり裾部３ａがハウジング７に引っ込むので、切断ヘッドを板上で短距離を迅速に移動させるのをより容易にする。裾部３ａが引き込まれるだけで、ノズルを支持している集束ヘッドを持ち上げる必要がない。
さらに、弾性要素８は、可動要素３が切断ガスの作用下で部品の方向に移動させられるとき、切断される部品に前記要素によって掛けられる圧力を抑制することを可能にする。より正確には、弾性要素８の回復力は、有利には、可動要素３が板に掛ける圧力を抑制しながら、前記要素を切断される部品と接触状態に保持するように選択される。
これは、部品が切り取られる板を変形させ、板の表面に擦り傷を付け、板を引き摺るようなあらゆる危険性を極めて最小限度に抑え、又はなくすことすら可能にする。

可動要素３は、電気絶縁材料、好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＺｒＯ_２、若しくはＡｌ_２ＴｉＯ_５などのセラミック、又は、たとえばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）若しくはＶｅｓｐｅｌ（登録商標）などのポリマー、又はパイレックス（登録商標）から形成することができる。表現「電気絶縁材料」は、電気を伝導しない材料、すなわち２つの導電要素間の電流の流れを防止する材料を意味すると理解されたい。
あるいは、可動要素３は、導電材料、たとえば、鋼、ブロンズ、グラファイトなどの金属材料から形成することができる。
可動要素３が電気絶縁材料から形成されているとき、外側カバー１３は導電材料から形成され、逆も同様である。
任意選択で、インサート３の前方部分３ａは、第３の出口オリフィス１２へ向かってその外径が次第に減少する下流端部１７を備え得る。すなわち、前方部分３ａは、板の表面に存在する起伏や障害物を越えていくことが容易になるように形状設定される。

表現「下流端部」は、前方部分３ａの下流端に位置する前記前方部分の一部分、すなわち切断される板の上面に対面する前記前方部分の一部分を意味すると理解されたい。
このように、下流端部は、裾部３ａへの衝撃なしに、又はそれを大幅に低減して、また、ノズルの速度の減少なしに、さもなければ極めて僅かな減少で、段差又は障害物を越えていくように形状設定されている。前方部分３ａの端部の鋭い縁の存在もやはり回避され、それによって、本発明の裾部の移動をより柔軟にし、切断される板の表面に存在し得る高さの変化に本発明の裾部の移動が追従することを可能にし、それによって、工業的に実施することがさらに容易になる。
本発明の文脈では、下流端部１７は、ノズル本体１の前方部分１ａの前面に対して０．１〜８０°、好ましくは１０〜４５°からなる角度αをなす少なくとも１つのチャンファを備えてもよい。
あるいは、下流端部１７の外形は、少なくとも１つの曲線式部分、好ましくは少なくとも１つの凸形部分を備えてもよい。その少なくとも１つの凸形部分の曲線の半径は、通常、０．１〜２ｍｍからなる。
任意選択で、本発明によるノズルは、ノズル本体１の前方部分１ａ全体又はその一部分の周りにスリーブを形成する管状要素２を備えてもよく、管状要素２は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）、電気絶縁セラミックなどの電気絶縁材料から形成される。
この実施形態は、可動要素３が導電材料から形成されているとき特に有利であり、管状要素２が、可動要素３とノズル本体１との間にいかなる電気的接触も行われないようにすることを可能にする。それによって、切断される板上を確実に一定の間隔で集束ヘッドを移動させるために工業用切断機に装備された容量型距離感知システムの誤作動が防止される。

図４は、ノズル本体１及び外側カバー１３の形状が、図２の実施形態とは実質的に異なる本発明の別の実施形態を示すが、その作動原理は同一である。
図５Ａ及び５Ｂは、ガス圧２３の作用下での可動要素３の並進移動を概略的に示す。
詳細には、図５Ａは、可動要素３を備え、その前方部分３ａが軸方向ハウジング７に引き込まれている本発明によるノズルを概略的に示す。図５Ｂは、ハウジング７内に加わり可動要素３に掛けられたガスの圧力２３の作用を概略的に示し、可動要素３は、裾部を形成する前方部分３ａが第１のハウジング７から突出するまで移動する。

実際に、本発明によるノズルの可動要素３は、少なくとも以下を含む複数の位置の間を移動することができる。すなわち、
− 図５Ａに示されるように、裾部３ａが、外側カバー１３の軸方向ハウジング７に完全又はほほ完全に引き込まれている休止位置と、
− 図５Ｂに示されるように、裾部３ａが、外側カバー１３の軸方向ハウジング７から、第１の出口オリフィス１４を通って完全又はほぼ完全に突き出し、切断される部品３０と接触する作動位置と
である。
当然、可動要素２は、裾部３ａが軸方向ハウジング７から部分的にしか突出しない中間位置を取ることができる。この中間位置は、可動要素３に掛かる軸方向ハウジング７内の圧力に特に依存し得る。

本発明は、したがって、より少ないガス流量及び／又はガス圧力を伴うレーザービームによる切断を行うことができ、そのように設計されたレーザーノズルを提供し、その特有なノズル構造は、いかなるレーザーパワー及びビーム波長でも、より大きな割合のガスをカーフに貫入させ、そこから溶融金属を効果的に追い出させる。
図２〜４に見られるように、本発明のノズルは標準的な容積であり、すなわちその容積は従来の切断ノズルの容積より大きいことはなく、それは、鱗模様状の切断、すなわち、様々な部品を隔てる間隔が極めて小さい、所与の板内の複数の部品の切断に有利であり適合する。
さらに、本発明のノズルは、業界で現在使用されている大部分のレーザーノズルと、たとえその本体の寸法が小さくても、互換性があるという重要な利点を有し、その理由は、ノズルの本体そのものの内部に可動要素を受け入れる軸方向ハウジングを設ける必要がもはや必要ないからである。本発明の解決策は、このように、ノズル本体の外側に可動要素を有するレーザーノズルを提供し、その工業的実施がより容易である。

標準的ノズル、すなわち可動要素を持たない通常のノズルに対する本発明によるノズルの有効性と、したがって、ガスを切断カーフに押し込むために可動要素に取り付けられた裾部を使用する利点とを実証するために、集束光学要素、すなわちレンズを備える集束レーザーヘッドに導かれるレーザービームを生成するためにＣＯ_２レーザー発生器を用いる切断装置を使用して、比較試験が行われた。
集束レーザーヘッドには、直径１．８ｍｍの出口オリフィスを有する標準的ノズル、又は可動裾部を有する図２によるノズルのいずれかが装着され、後者のノズルのノズル本体の軸方向通路は、直径１．８ｍｍの出口オリフィスを有していた。
使用された補助ガスは窒素であった。
切断された板は、厚さ５ｍｍの３０４Ｌステンレス鋼の板であった。
レーザービームは４ｋＷのパワーを有し、切断速度は２．６ｍ／ｍｉｎであった。

得られた結果は以下のことを実証した。すなわち、
− 標準的ノズルでは、高品質の切断を得るには１４バールのガス圧力では十分でない。具体的には、１４バールでは、切断部の縁に多数のバリが付いている。これは、追い出す必要がある溶融金属へのガスの作用が不十分なので、溶融金属の排除が、しかるべきように行われなかったことを実証する。これらのバリを除去するために、１６バールの圧力が必要であった。
− 本発明のノズルでは、１〜５バールの範囲の圧力で行われた試験が、良好な品質の切断、すなわちばりの付いていない切断縁を有する切断に至った。ノズルの裾部が、ガスがカーフ内に導かれ、溶融金属が効果的に追い出されることを可能にした。さらに、ノズルが、容量型センサの作動を可能にし、切断プロセスの間中、ノズル本体の前方部分と板の上面との間隔を一定に保つことが可能であった。
これら試験は、本発明によるノズルの有効性を明らかに実証し、そのノズルは、その他は同一の条件下で、適用されるガス圧力を標準的ノズルに対して著しく減少させることができ、したがって、ガスの消費量もまた低減させることができる。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ − 第１の軸方向通路（５）と、前記第１の軸方向通路（５）に補助ガス（２３）を供給することを可能にする入口オリフィス（１１’）とを備えるノズル本体（１）と、
− 軸方向ハウジング（７）を備える外側カバー（１３）であって、さらに、前記外側カバー（１３）の前面（１３ａ）に位置する第１の出口オリフィス（１４）を備え、前記ノズル本体（１）が、少なくとも部分的に前記軸方向ハウジング（７）内に配置される、外側カバー（１３）と、
− 第２の軸方向通路（４）と、裾部を形成する前方部分（３ａ）とを備える可動要素（３）であって、前記外側カバー（１３）と前記ノズル本体（１）との間に配置され、前記外側カバー（１３）の前記軸方向ハウジング（７）内で並進的に移動可能である可動要素（３）と、
− 前記外側カバー（１３）と前記ノズル本体（１）との間で、前記軸方向ハウジング（７）内に配置された弾性要素（８）と
を備えるレーザーノズルにおいて、
前記可動要素（３）が、前記補助ガス（２３）のガス圧力の作用下で、前記軸方向ハウジング（７）内で前記第１の出口オリフィス（１４）の方向に並進移動することができ、また、そのように設計され、前記圧力が、前記軸方向ハウジング（７）内に加えられ、前記可動要素（３）に掛けられ、前記弾性要素（８）が、前記軸方向ハウジング（７）内での前記第１の出口オリフィス（１４）の方向での前記可動要素（３）の前記並進移動に対抗するようになされた弾性復元力を前記可動要素（３）に掛けることを特徴とする
レーザーノズル。
［２］ 前記可動要素（３）は、前記可動要素（３）の裾部を形成する前記前方部分（３ａ）が前記軸方向ハウジング（７）の前記第１の出口オリフィス（１４）を通って前記軸方向ハウジング（７）から突出するまで、前記軸方向ハウジング（７）内で前記第１の出口オリフィス（１４）の方向に並進移動することができ、また、そのように設計されていることを特徴とする、［１］に記載のノズル。
［３］ 前記ノズル本体（１）、前記外側カバー（１３）、及び前記可動要素（３）が、互いに同軸に配置された軸対称部品であり、前記ノズル本体（１）が、前記可動要素（３）の前記第２の軸方向通路（４）内に少なくとも部分的に配置された前方部分（１ａ）を備えることを特徴とする、［１］又は［２］に記載のノズル。
［４］ 前記ノズル本体（１）の前記第１の軸方向通路（５）が、前記ノズル本体（１）の前記前方部分（１ａ）に位置する第２の出口オリフィス（１１）を備え、前記可動要素（３）の前記第２の軸方向通路（４）が、前記可動要素（３）の裾部を形成する前記前方部分（３ａ）に位置する第３の出口オリフィス（１２）を備え、前記前方部分（３ａ）が前記軸方向ハウジング（７）から突出すると、前記第３の出口オリフィス（１２）が前記第２の出口オリフィス（１１）の下流に開口することを特徴とする、［１］−３のいずれか一項に記載のノズル。
［５］ 前記ノズル本体（１）が、前記ノズル本体（１）内に配置され、前記ノズル本体（１）の前記第１の軸方向通路（５）と前記外側カバー（１３）の前記軸方向ハウジング（７）とを流体連通させる少なくとも１つのガス供給ダクト（６）を備えることを特徴とする、［１］−４のいずれか一項に記載のノズル。
［６］ 前記軸方向ハウジング（７）が、好ましくは前記軸方向ハウジング（７）の底部（１５）に配置された、内側肩部（９）を備え、前記可動要素（３）の外周壁が、前記内側肩部（９）に面して配置された当接部（１０）を備え、前記弾性要素（８）が、前記当接部（１０）と前記内側肩部（９）との間に配置されることを特徴とする、［１］−５のいずれか一項に記載のノズル。
［７］ 前記ノズル本体（１）の前記前方部分（１ａ）の全て又はその一部分の周りにスリーブを形成する管状要素（２）をさらに備え、前記管状要素（２）が電気絶縁材料から形成されることを特徴とする、［１］−６のいずれか一項に記載のノズル。
［８］ 前記可動要素（３）が、
− 前記可動要素（３）の前記前方部分（３ａ）が、完全又はほほ完全に前記軸方向ハウジング（７）に引き込まれている休止位置と、
− 前記可動要素（３）の前記前方部分（３ａ）の前記裾部が、前記軸方向ハウジング（７）から前記第１の出口オリフィス（１４）を通って完全又はほぼ完全に突出している作動位置と
を含む複数の位置の間を移動することができることを特徴とする、［１］−７のいずれか一項に記載のノズル。
［９］ 少なくとも１つの集束光学要素を備えるレーザー集束ヘッドにおいて、［１］−８のいずれか一項に記載のレーザーノズルをさらに備えることを特徴とするレーザー集束ヘッド。
［１０］ 好ましくはＣＯ２、ＹＡＧ、ファイバー、又はディスクレーザーであるレーザー発生器と、レーザー集束ヘッドと、前記レーザー発生器と前記レーザー集束ヘッドとに接続されたレーザービーム案内デバイスとを備えるレーザー装置において、前記レーザー集束ヘッドが、［９］に記載のレーザー集束ヘッドであることを特徴とするレーザー装置。
［１１］ ガス供給源と、前記集束ヘッドと前記ガス供給源とを流体接続する少なくとも１つのガス供給ラインとを備え、前記レーザーノズル本体（１）の前記第１の通路（５）が、前記集束ヘッドに流体接続され、前記ガス供給源が、前記集束ヘッドと前記レーザーノズルとを満たすと、前記可動要素（３）が、前記ノズル本体（１）の前記軸方向ハウジング（７）内で並進移動をすることを特徴とする、［１０］に記載の装置。
［１２］ ［１］〜［８］のいずれか一項に記載のノズル、［９］に記載のレーザー集束ヘッド、又は［１０］若しくは［１１］に記載の装置を用いるレーザービーム切断方法。

Claims (12)

1. − 第１の軸方向通路（５）と、前記第１の軸方向通路（５）に補助ガス（２３）を供給することを可能にする入口オリフィス（１１’）とを備えるノズル本体（１）と、
   − 軸方向ハウジング（７）を備える外側カバー（１３）であって、さらに、前記外側カバー（１３）の前面（１３ａ）に位置する第１の出口オリフィス（１４）を備え、前記ノズル本体（１）が、少なくとも部分的に前記軸方向ハウジング（７）内に配置される、外側カバー（１３）と、
   − 第２の軸方向通路（４）と、裾部を形成する前方部分（３ａ）とを備える可動要素（３）であって、前記外側カバー（１３）と前記ノズル本体（１）との間に配置され、前記外側カバー（１３）の前記軸方向ハウジング（７）内で並進的に移動可能である可動要素（３）と、
   − 前記外側カバー（１３）と前記ノズル本体（１）との間で、前記軸方向ハウジング（７）内に配置された弾性要素（８）と
   を備えるレーザーノズルにおいて、
   前記可動要素（３）が、前記補助ガス（２３）のガス圧力の作用下で、前記軸方向ハウジング（７）内で前記第１の出口オリフィス（１４）の方向に並進移動することができ、また、そのように設計され、前記圧力が、前記軸方向ハウジング（７）内に加えられ、前記可動要素（３）に掛けられ、前記弾性要素（８）が、前記軸方向ハウジング（７）内での前記第１の出口オリフィス（１４）の方向での前記可動要素（３）の前記並進移動に対抗するようになされた弾性復元力を前記可動要素（３）に掛けることを特徴とする
   レーザーノズル。
2. 前記可動要素（３）は、前記可動要素（３）の裾部を形成する前記前方部分（３ａ）が前記軸方向ハウジング（７）の前記第１の出口オリフィス（１４）を通って前記軸方向ハウジング（７）から突出するまで、前記軸方向ハウジング（７）内で前記第１の出口オリフィス（１４）の方向に並進移動することができ、また、そのように設計されていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル。
3. 前記ノズル本体（１）、前記外側カバー（１３）、及び前記可動要素（３）が、互いに同軸に配置された軸対称部品であり、前記ノズル本体（１）が、前記可動要素（３）の前記第２の軸方向通路（４）内に少なくとも部分的に配置された前方部分（１ａ）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のノズル。
4. 前記ノズル本体（１）の前記第１の軸方向通路（５）が、前記ノズル本体（１）の前記前方部分（１ａ）に位置する第２の出口オリフィス（１１）を備え、前記可動要素（３）の前記第２の軸方向通路（４）が、前記可動要素（３）の裾部を形成する前記前方部分（３ａ）に位置する第３の出口オリフィス（１２）を備え、前記前方部分（３ａ）が前記軸方向ハウジング（７）から突出すると、前記第３の出口オリフィス（１２）が前記第２の出口オリフィス（１１）の下流に開口することを特徴とする、請求項３に記載のノズル。
5. 前記ノズル本体（１）が、前記ノズル本体（１）内に配置され、前記ノズル本体（１）の前記第１の軸方向通路（５）と前記外側カバー（１３）の前記軸方向ハウジング（７）とを流体連通させる少なくとも１つのガス供給ダクト（６）を備えることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一項に記載のノズル。
6. 前記軸方向ハウジング（７）が、好ましくは前記軸方向ハウジング（７）の底部（１５）に配置された、内側肩部（９）を備え、前記可動要素（３）の外周壁が、前記内側肩部（９）に面して配置された当接部（１０）を備え、前記弾性要素（８）が、前記当接部（１０）と前記内側肩部（９）との間に配置されることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一項に記載のノズル。
7. 前記ノズル本体（１）の前記前方部分（１ａ）の全て又はその一部分の周りにスリーブを形成する管状要素（２）をさらに備え、前記管状要素（２）が電気絶縁材料から形成されることを特徴とする、請求項３に記載のノズル。
8. 前記可動要素（３）が、
   − 前記可動要素（３）の前記前方部分（３ａ）が、完全又はほほ完全に前記軸方向ハウジング（７）に引き込まれている休止位置と、
   − 前記可動要素（３）の前記前方部分（３ａ）の前記裾部が、前記軸方向ハウジング（７）から前記第１の出口オリフィス（１４）を通って完全又はほぼ完全に突出している作動位置と
   を含む複数の位置の間を移動することができることを特徴とする、請求項１−７のいずれか一項に記載のノズル。
9. 少なくとも１つの集束光学要素を備えるレーザー集束ヘッドにおいて、請求項１−８のいずれか一項に記載のレーザーノズルをさらに備えることを特徴とするレーザー集束ヘッド。
10. 好ましくはＣＯ_２、ＹＡＧ、ファイバー、又はディスクレーザーであるレーザー発生器と、レーザー集束ヘッドと、前記レーザー発生器と前記レーザー集束ヘッドとに接続されたレーザービーム案内デバイスとを備えるレーザー装置において、前記レーザー集束ヘッドが、請求項９に記載のレーザー集束ヘッドであることを特徴とするレーザー装置。
11. ガス供給源と、前記集束ヘッドと前記ガス供給源とを流体接続する少なくとも１つのガス供給ラインとを備え、前記レーザーノズル本体（１）の前記第１の通路（５）が、前記集束ヘッドに流体接続され、前記ガス供給源が、前記集束ヘッドと前記レーザーノズルとを満たすと、前記可動要素（３）が、前記ノズル本体（１）の前記軸方向ハウジング（７）内で並進移動をすることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載のノズル、請求項９に記載のレーザー集束ヘッド、又は請求項１０若しくは１１に記載の装置を用いるレーザービーム切断方法。