JP6495955B2 - Laser cutting processing method, nozzle and laser processing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、例えば炭素鋼などのごとき金属製のワークのレーザ切断加工方法及び同加工方法に使用するノズル並びにレーザ加工装置に関する。さらに詳細には、レーザ切断加工時の切断溝内へのアシストガスの侵入(入り込み)を効率よく行って、切断溝内からのドロスの排出を効果的に行うことができるレーザ切断加工方法及びノズル並びレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser cutting method for a metal workpiece such as carbon steel, a nozzle used in the processing method, and a laser processing apparatus. More specifically, a laser cutting method and a nozzle capable of efficiently injecting (entering) the assist gas into the cutting groove during laser cutting and effectively discharging dross from the cutting groove. The present invention relates to a laser processing apparatus.
従来、金属製のワークのレーザ切断加工を行う場合、レーザ切断加工位置へアシストガスを噴射して、レーザ切断加工時に生じたドロスを切断溝内から排出することが行われている。ところで、ワークが例えば軟鋼等の厚板の場合には、アシストガスとして酸素ガスが使用されている。この場合、鉄の酸化反応熱を利用してワークの切断加工を行うものであり、厚いワークのレーザ切断加工を能率よく行うことができる。 Conventionally, when performing laser cutting of a metal workpiece, an assist gas is injected to the laser cutting position, and dross generated during the laser cutting is discharged from the cutting groove. By the way, when the workpiece is a thick plate such as mild steel, oxygen gas is used as an assist gas. In this case, the workpiece is cut using the heat of oxidation reaction of iron, and laser cutting of a thick workpiece can be efficiently performed.
ところで、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに備えたノズルのノズル口の径が大きい場合には、レーザ切断加工によって形成された切断溝内へ多量のアシストガスを侵入させることができる。そして、この侵入したアシストガスによって、切断溝内に生じたドロスを能率よく排出することができる。 By the way, when the diameter of the nozzle opening of the nozzle provided in the laser processing head in the laser processing apparatus is large, a large amount of assist gas can enter the cutting groove formed by the laser cutting processing. And the dross produced in the cutting groove can be efficiently discharged by the intruding assist gas.
しかし、ノズル口において、前記切断溝の幅方向の外側に対応した部分から噴出されたアシストガスは、切断溝内に侵入することなく、ワーク表面に沿って広がることになる。また、切断溝内の加工点直下領域(加工領域)だけでなく、切断溝内の加工点から後方(既に切断を完了して予熱を帯びている)領域にもアスシストガス広がってしまうことになる。したがって、切断溝の縁および切断溝内の後方領域において酸化反応を生じて、バーニングを生じ易いものである。 However, the assist gas ejected from the portion corresponding to the outside in the width direction of the cutting groove at the nozzle opening spreads along the workpiece surface without entering the cutting groove. In addition, the assist gas spreads not only in the region immediately under the processing point in the cutting groove (processing region) but also in the region behind the processing point in the cutting groove (which has already been cut and preheated). Therefore, an oxidation reaction occurs at the edge of the cutting groove and the rear region in the cutting groove, and burning is likely to occur.
前記ノズル口が小径の場合には、ワークの表面に沿って広がるアシストガス量が少なく、バーニング発生を抑制することができる。しかし、切断溝内へ侵入するアシストガス量が少なくなり、ドロスの排出が難しくなる。したがって、ワークの裏面にドロスが付着し易くなるものである。 When the nozzle opening has a small diameter, the amount of assist gas that spreads along the surface of the workpiece is small, and the occurrence of burning can be suppressed. However, the amount of assist gas entering the cutting groove is reduced, making it difficult to discharge dross. Therefore, dross easily adheres to the back surface of the workpiece.
ところで、アシストガスとしては、窒素ガスを使用する場合もある。この場合、バーニングの発生は抑制できるものの、ノズル口が大きいと、アシストガスの消費量が大きくなる。そして、ノズル口が小さい場合には、切断溝からのドロスの排出が難しくなる。 Incidentally, nitrogen gas may be used as the assist gas. In this case, although the occurrence of burning can be suppressed, if the nozzle opening is large, the consumption amount of the assist gas increases. And when a nozzle opening is small, discharge | emission of the dross from a cutting groove becomes difficult.
そこで、本発明は、ノズルの構成を、内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造として、前述したごとき問題を解決しようとするものである。なお、本発明構成に類似の先行例として、特許文献1がある。
Therefore, the present invention seeks to solve the problems as described above by adopting a double structure having an inner nozzle and an outer nozzle as the nozzle configuration. There is
前記特許文献1に記載のノズルの構成は、円錐形状の内側のノズルの外周を囲繞した円錐状のスリーブを備えることによって二重に構成してある。しかし、前記内側のノズルの外周面とスリーブの内周面は密着してある。そして、前記内側のノズルの外周面又はスリーブの内周面に複数の縦溝を備えた構成である。そして、内側のノズルと前記縦溝は、内側のノズルに形成した通路によって連通してある。したがって、内側のノズルと前記縦溝からは同一のアシストガスが噴出されることになる。
The configuration of the nozzle described in
ところで、前述のごとき特許文献1に記載の構成においては、複数の縦溝の部分からアシストガスを噴出する構成であるから、流路抵抗が大きくなる。また、複数の縦溝の間はアシストガスを噴出することなく負圧になるので、内側のノズルから噴出されたアシストガスは、前記縦溝における端部の間の部分から放射外方向に広がる傾向にある。したがって、ノズルから噴出されたアシストガスを、切断溝内に効果的に侵入させることは難しいものである。よって、アシストガスとして酸素ガスを使用した場合、ドロス発生あるいはバーニングを抑制することは難しいものである。
Incidentally, in the configuration described in
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、内側ノズルの先端面を平面に形成し、かつ内側ノズルの先端面を、外側ノズルの先端面と同一平面又は内側の位置に備えた二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、前記内側ノズルの先端面に対応した部分に負圧を生じさせて、外側ノズルから円錐形状に噴出したアシストガスを内側へ引き寄せて形成される絞り部分によって、前記内側ノズルから噴出される円柱状のアシストガスに絞り作用を付与してノズル先端から離れた位置に絞り部分を形成し、この絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。 The present invention was made in view of the conventional problems as described above, and is a laser cutting method for a metal workpiece, in which the tip surface of the inner nozzle is formed into a flat surface, and the tip surface of the inner nozzle is The same assist gas is ejected from the inner nozzle and the outer nozzle of the double structure provided on the same plane or the inner side of the tip surface of the outer nozzle, and a negative pressure is generated at a portion corresponding to the tip surface of the inner nozzle. The throttle portion formed by drawing the assist gas ejected in a conical shape from the outer nozzle toward the inside imparts a throttling action to the cylindrical assist gas ejected from the inner nozzle, and restricts it to a position away from the nozzle tip. A portion is formed, and this narrowed portion is matched with the surface of the workpiece to perform laser cutting.
また、前記レーザ切断加工方法において、内側ノズルから噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズルから噴出した外側アシストガスによって囲繞し、かつ前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断面における切断面端部にまで供給してレーザ切断加工を行うものである。 Further, in the laser cutting processing method, the periphery of the inner assist gas ejected from the inner nozzle is surrounded by the outer assist gas ejected from the outer nozzle, and the outer assist gas is cut at the end of the cut surface in the cutting surface by the laser cutting processing. The laser cutting process is performed by supplying to the part.
また、前記レーザ切断加工方法において、前記アシストガスは酸素ガスである。 In the laser cutting method, the assist gas is oxygen gas.
また、レーザ加工装置におけるノズルであって、先端側が次第に小径になるテーパ孔を備えたテーパ状の内側ノズルの外側に外側ノズルを備え、内側ノズルを囲繞して備えた前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間の環状のテーパ孔の間隙は、全周に亘って連続した間隙に形成してあり、かつ内側ノズルの先端面は、当該先端面に対応した位置に負圧を生じさせて、前記環状のテーパ孔から噴出するアシストガスを内側へ引き寄せた絞り部分を、ノズル先端から離れた位置に形成するための平面に形成してあって、外側ノズルの先端面と同一平面に、又は内側に位置している。 Further, an inner peripheral surface of the outer nozzle, which is a nozzle in the laser processing apparatus, includes an outer nozzle on the outer side of the tapered inner nozzle having a tapered hole whose tip side gradually becomes smaller in diameter, and surrounds the inner nozzle. The annular taper hole between the inner nozzle and the outer peripheral surface of the inner nozzle is formed as a continuous gap over the entire circumference, and the front end surface of the inner nozzle is negative at a position corresponding to the front end surface. A throttle portion that generates pressure and draws the assist gas ejected from the annular tapered hole inward is formed on a plane that is formed at a position away from the nozzle tip , and the tip surface of the outer nozzle Located on the same plane or inside.
また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズルのテーパ孔と、内側ノズルと外側ノズルとの間のテーパ状の間隙は、同一アシストガスの通路を形成している。 In the nozzle, the tapered hole of the inner nozzle and the tapered gap between the inner nozzle and the outer nozzle form the same assist gas passage.
また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズルの先端部に、ストレートの小径孔部を備えている。 In the nozzle, a straight small-diameter hole is provided at the tip of the inner nozzle.
また、前記ノズルにおいて、前記外側ノズルの外側に、レーザ加工位置付近の冷却を行う水ノズルを備えている。 The nozzle further includes a water nozzle that cools the vicinity of the laser processing position outside the outer nozzle.
また、前記外側ノズルの先端部に、放射外方向へ張り出したフランジ部を備えている。 Moreover, the front-end | tip part of the said outer side nozzle is provided with the flange part protruded in the radial outward direction.
また、前記ノズルにおいて、前記内側ノズル及び外側ノズルから噴出されるアシストガスは酸素ガスである。 In the nozzle, the assist gas ejected from the inner nozzle and the outer nozzle is oxygen gas.
また、ワークに対して接近離反する方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドを備え、このレーザ加工ヘッドにノズルを着脱交換可能に備えたレーザ加工装置であって、内側ノズルの先端面を平面に形成し、かつ内側ノズルの先端面を、外側ノズルの先端面と同一平面又は内側の位置に備えた二重構造のノズルであって、前記外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスが、前記内側ノズルの先端面に対応した部分に生じた負圧によって絞り作用を受けた絞り部分を、ノズル先端から離れた位置に形成する構成であり、前記ワークに対する前記レーザ加工ヘッドの接近動作を制御する制御装置は、着脱交換される各ノズルにおける先端部から前記絞り部分までの距離データを格納した距離データテーブルを備えている。 Further, the laser processing apparatus includes a laser processing head that is movable in a direction that moves toward and away from the workpiece, and the laser processing head includes a nozzle that can be attached and detached, and the tip surface of the inner nozzle is formed flat. and the front end face of the inner nozzle, a nozzle having a double structure with a flush or inner position and a front end surface of the outer nozzle, the assist gas ejected from the outer nozzle cone shape, of the inner nozzle A control unit that controls the approaching operation of the laser processing head with respect to the workpiece is configured to form a throttle portion that is subjected to a throttle action by a negative pressure generated in a portion corresponding to the tip surface at a position away from the nozzle tip. A distance data table storing distance data from the tip portion to the aperture portion in each nozzle to be attached and detached is provided.
本発明によれば、レーザ加工ヘッドに備えたノズルから噴出されるアシストガスに絞り部分を形成し、この絞り部分をワーク表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。したがって、レーザ切断による切断溝内および切断溝内の加工領域へアシストガスを効果的に侵入させることができる。よって、切断溝内のドロスの排出を効果的に行い、バーニングを抑制することができる。 According to the present invention, the throttle portion is formed in the assist gas ejected from the nozzle provided in the laser processing head, and laser cutting is performed by matching the throttle portion with the workpiece surface. Therefore, the assist gas can be effectively penetrated into the cutting groove by laser cutting and the processing region in the cutting groove. Therefore, it is possible to effectively discharge the dross in the cutting groove and suppress burning.
以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ加工装置について説明するに、レーザ加工装置の全体的構成は一般的なレーザ加工装置と同様であって、良く知られた構成であるから、レーザ加工装置においての主要な構成のみについて説明する。 Hereinafter, the laser processing apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The overall configuration of the laser processing apparatus is similar to a general laser processing apparatus, and is a well-known configuration. Only main components in the laser processing apparatus will be described.
図1を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置(全体的構成は図示省略)は、例えばパイプ材等のごとき長尺材や板材などのごとき適宜のワークWに対して接近離反する方向へ移動位置決め自在なレーザ加工ヘッド1を備えている。このレーザ加工ヘッド1には、ノズル3が着脱交換自在に備えられている。
Referring to FIG. 1, a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention (whose overall configuration is not shown) approaches and separates from an appropriate workpiece W such as a long material such as a pipe material or a plate material. A
上記ノズル3は、内側ノズル5と外側ノズル7とを一体的に備えた二重構造に構成してある。より詳細には、前記内側ノズル5は、先端側が次第に小径になるテーパ孔9を内側に備えた構成である。そして、内側ノズル5において大径の基端部11は、前記外側ノズル7における基端部側の大径穴13に嵌合してある。上記内側ノズル5の前記基端部11における外周面の複数箇所にはDカットを行った平面部15が形成してある。すなわち、Dカットを行うことにより、外側ノズル7の内周面と内側ノズル5の外周面との間に、アシストガスが通過自在な通路17が形成してある。
The
前記内側ノズル5の先端側の外周面19は、先端側が次第に小径になるテーパ面に形成してある。そして、内側ノズル5における前記先端側は、外側ノズル7におけるテーパ孔21内に配置してある。外側ノズル7の上記テーパ孔21は、前記大径孔13に連通してあり、かつ前記内側ノズル5における前記先端側を囲繞した構成である。そして、前記内側ノズル5における前記外周面19とテーパ孔21の内周面は適宜間隔を保持して離隔してある。
The outer
換言すれば、前記内側ノズル5の外周面19と前記外側ノズル7のテーパ孔21の内周面との間には、先端側が小径になるテーパ状の環状通路23が形成してある。すなわち、上記環状通路23は周方向に連続した円形状に形成してある。したがって、前記環状通路23から噴出されるアシストガスの断面形状は周方向に連続したリング状を呈するものである。そして、リング状の径が次第に小径になることにより、アシストガスはノズル3の軸心上に収束される構成である。
In other words, between the outer
したがって、ノズル3においては、内側ノズル5の先端部に形成したストレートの小径孔部25から、ワークWへ照射するレーザ光LBと同心の円柱状(丸棒状)にアシストガスを噴出する。そして、上記内側ノズル5からの円柱状のアシストガスを、前記環状通路23から円錐状に噴出されるアシストガスによって絞る作用をなすものである。よって、ノズル3から噴出されるアシストガスには、絞り部分(ウエスト部)GW(図2参照)が形成されるものである。
Therefore, in the
前記構成において、レーザ加工ヘッド1に備えた中央孔1Hからノズル3へアシストガスを供給すると、アシストガスは、内側ノズル5の前記小径孔部25及び内側ノズル5と外側ノズル7との間の環状通路23からワークWへ向けて噴出されることになる。したがって、ノズル3から噴出されるアシストガスGに形成されるウエスト部(絞り部分)GWをワークWの表面に合せてレーザ切断加工を行うものである。
In the above configuration, when assist gas is supplied from the
上述のように、アシストガスGのウエスト部分GWをワークWの表面に合せると、レーザ切断加工されたワークWの切断溝WG内へアシストガスGを効果的に侵入させることができる。換言すれば、ワークWの表面WSに沿って周囲に広がるアシストガスGの流量が少なくなるものである。したがって、レーザ切断加工時に生じた溶融金属(ドロス)を切断溝WG内から効果的に排出することができるものである。また、ワークWの表面WSに沿って広がるアシストガスGの流量が少なくなるということは、アシストガスGとして酸素ガスを使用する場合に、レーザ切断加工位置付近のワーク表面WSの酸化反応が抑制されることとなる。よって、バーニングの発生が抑制されるものである。 As described above, when the waist portion GW of the assist gas G is aligned with the surface of the workpiece W, the assist gas G can be effectively penetrated into the cutting groove WG of the workpiece W that has been laser cut. In other words, the flow rate of the assist gas G spreading around the surface WS of the workpiece W is reduced. Therefore, the molten metal (dross) generated during the laser cutting process can be effectively discharged from the cutting groove WG. In addition, the flow rate of the assist gas G spreading along the surface WS of the workpiece W is reduced. This means that when oxygen gas is used as the assist gas G, the oxidation reaction of the workpiece surface WS near the laser cutting position is suppressed. The Rukoto. Therefore, the occurrence of burning is suppressed.
ところで、ノズル3における内側ノズル5の先端面5E(図2参照)は、外側ノズル7の先端面7Eと同一平面の位置又は外側ノズル7の前記先端面7Eから、僅かに、例えば0.5mm程度内側の位置において平面に形成してある。したがって、内側ノズル5から噴出されるアシストガスと環状通路23から噴出されるアシストガスとの間において、内側ノズル5の前記先端面5Eに対応した先端面対応位置27の部分に負圧を生じることになる。よって、前記環状通路23から噴出されたアシストガスは、内側へ引き寄せられる傾向にあり、前記ウエスト部分GWをより効果的に形成されるものである。
By the way, the
また、前記環状通路23は、図1(C)より明らかなように、全周に亘って円形状を形成する断面形状である。したがって、ワークWへ噴出される断面円形状のアシストガスGの周面部分はガス圧が均一なリング状の円周面を呈するものである。換言すれば、ワークWへ噴出されるアシストガスの周面部分に、部分的にガス圧の高低差がないものである。よって、ワークWのレーザ切断加工方向に拘わりなく常に良好なレーザ切断加工面を保持してレーザ切断加工を行い得るものである。
Moreover, the said annular channel |
また、内側ノズル5からレーザ光LBと同心に噴出されるアシストガスGは、ワークWにレーザ光LBが照射されている部分に噴出されるものである。したがって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合には、ワークWの燃焼に効果的に使用することができる。そして、ワークWの酸化燃焼反応熱を利用したワークWのレーザ切断加工においては、内側ノズル5から噴出された酸素がワークの表面付近において消費されると、ワークWの表面WSから深い部分(裏面付近)においての酸化反応が低下する傾向にある。
Further, the assist gas G ejected from the
ところが、本実施形態においては、環状通路23から噴出された環状の酸素ガスは、内側ノズル5から噴出されたアシストガスを囲繞した状態にあり、ワークWに対するレーザ光LBの照射位置から僅かに離れた位置にある。したがって、環状通路23から噴出された酸素が、レーザ光が照射されている部分の初期の酸化反応に使用される量が少なく、ワークWの切断溝WG内に深く入り込むことになる。すなわち、レーザ切断加工による切断面における切断端部付近において、レーザ切断加工の進行が遅れる部分の酸化反応に使用されることになる。したがって、厚いワークWのレーザ切断加工を効果的に行い得るものである。換言すれば、ワークWが厚い場合であっても、ワークWの表面から裏面(切断端面)に亘って酸化燃焼反応熱を均等的に利用してのレーザ切断加工を行い得るものである。よって、ワークWの切断面の全体に亘って同一条件のレーザ切断加工となり、切断面の全面に亘って良好な切断面を得ることができるものである。
However, in the present embodiment, the annular oxygen gas ejected from the
すなわち、本実施形態によれば、アシストガスGを切断溝WG内へ効果的に侵入させることができ、なおかつアシストガスGを直進的に切断溝WG内の加工領域へ供給することができる。したがって、切断溝内の加工領域へのアシストガスの供給が効果的であるのみならず、切断溝内の加工点から後方の領域にアスシストガスが広がることを効果的に抑制することができる。よって、ワークWが厚い場合であっても、ワークWの表面から裏面(切断端面)に亘って、アシストガスとしての酸素を効果的に供給しての酸化燃焼反応熱を均等的に利用してのレーザ切断加工が行い得る。併せて、アシストガスとしての酸素が切断構内の後方に至ってのバーニングの発生を抑制することができる。 That is, according to the present embodiment, the assist gas G can be effectively penetrated into the cutting groove WG, and the assist gas G can be supplied straight to the processing region in the cutting groove WG. Therefore, not only the supply of the assist gas to the processing region in the cutting groove is effective, but also the spread of the assist gas from the processing point in the cutting groove to the rear region can be effectively suppressed. Therefore, even when the workpiece W is thick, the oxidation combustion reaction heat by effectively supplying oxygen as an assist gas is used evenly from the front surface to the back surface (cut end surface) of the workpiece W. Laser cutting can be performed. In addition, it is possible to suppress the occurrence of burning when oxygen as the assist gas reaches the rear of the cutting premises.
図3は、本発明の第2の実施形態に係るノズル3Aの構成を示すものである。この実施形態において、前述したノズル3の構成要素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。
FIG. 3 shows the configuration of a
この第2の実施形態においては、前記外側ノズル7において、前記環状通路23よりも外側の位置に、冷却水を通す複数の冷却水孔29を、下側が小径になる円錐面上に等間隔に備えた構成である。そして、前記各冷却水孔29から噴出された冷却水がレーザ加工位置へ直接噴射されることを抑制するために、前記外側ノズル7の先端部に、放射外方向へ張り出したフランジ部31を備えた構成である。
In the second embodiment, in the
したがって、ノズル3Aを使用してワークWのレーザ切断加工を行う際には、各冷却水孔29から冷却水を噴出することにより、ワークWのレーザ切断加工位置の周辺を冷却することができる。よって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合、ワークWの表面WSに沿って周囲に薄く広がる酸素ガスによる酸化反応を抑制することができる。
Therefore, when laser cutting of the workpiece W is performed using the
ところで、前記構成のごときノズル3を使用して、レーザ加工装置(図示省略)によってワークWのレーザ切断加工を行う場合、ワークWの板厚等によって、小径孔部25、環状通路23の先端部の径が異なる各種のノズルをレーザ加工ヘッド1に対して着脱交換して使用されるものである。
By the way, when the
したがって、各ノズル3,3Aには、ノズル3,3Aの先端部とワークWの表面WSとの間のギャップを検出するギャップセンサ(図示省略)が備えられている。そして、ワークWに対してレーザ加工ヘッド1を接近離反する方向への動作を制御する制御装置33(図4参照)は、着脱交換される各ノズル3,3Aにおける先端部から前記ウエスト部GWまでの距離データを実験的に予め求めて格納した距離データテーブル35を備えている。さらに、前記制御装置33には、前記距離データテーブル35に格納されたデータに基づいて、ノズル3,3Aの先端部とワークWの表面WSとの間のギャップを制御するZ軸制御手段37が備えられている。
Therefore, each
したがって、レーザ加工ヘッド1に対して適宜のノズル3を装着してワークWのレーザ切断を行う場合、入力手段39から、該当するノズル3の番号等を制御装置33に入力する。制御装置33においては、ノズル3の番号等が入力されると、距離データテーブル35から該当するノズル3のギャップが選択される。そして、この装着したノズル3の先端部とワークWの表面WSとの間のギャップは、距離データテーブル35に予め格納した距離データに基づいて制御されるものである。すなわち、前記ギャップは、ノズル3から噴出されるアシストガスにおけるウエスト部GWがワークWの表面に位置するように保持されるものである。よって、前述したように、ワークWのレーザ切断加工を良好に行い得るものである。
Therefore, when the
1 レーザ加工ヘッド
3 ノズル
5 内側ノズル
5E 先端部
7 外側ノズル
7E 先端面
9 テーパ孔
17 通路
23 環状通路
25 小径孔部
27 先端面対応位置
29 冷却孔
31 フランジ部
GW ウエスト部分(絞り部分)
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