JP6730032B2 - ガスノズル及びレーザガウジング装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工面にレーザ光を照射することで溶融した金属をガスの流体力により除去するガスノズル、このガスノズルを用いたレーザガウジング装置に関するものである。

例えば、金属製の板材にレーザ光を照射して切断するとき、溶融金属が発生することから、この溶融金属をガスノズルから噴出するガスにより除去するレーザガウジング装置が知られている。このレーザガウジング装置としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

レーザガウジング装置に用いられるガスノズルは、ガスをスリット上に噴出するものであり、中空形状をなすノズル本体と、ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、ノズル本体の先端部に設けられる整流部とから構成される。この整流部は、ノズル本体の幅方向に平行に並んで形成された複数の噴出孔により構成されている。そのため、ガス供給ホースからノズル本体の内部に供給された圧縮性のガスは、このノズル本体の中空部を流動した後、整流部により整流されてスリット状のガスを噴出することができる。

特開平０２−０５９１９０号公報

ところが、従来のガスノズルは、整流部が一列に並んで形成された複数の噴出孔により構成されていることから、幅方向に流体力分布が発生してしまう。即ち、ノズル本体の先端部から噴出されるガスの流体力は、各噴出孔のある位置で大きく、各噴出孔のない位置で小さくなる。そのため、流体力が大きい部分では、ガス流速が速いことから、溶融金属を適正に除去することができるものの、流体力が小さい部分では、ガス流速が遅いことから、溶融金属を適正に除去することができずに残存してしまうことがある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して溶融金属を適正に除去することができるガスノズル及びレーザガウジング装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のガスノズルは、中空形状をなしてスリット状の噴出口を有するノズル本体と、前記ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、前記噴出口に設けられて複数の噴出孔が前記ノズル本体の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部と、前記整流部の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドと、を備えることを特徴とするものである。

従って、ガス供給ホースからノズル本体に供給されるガスは、このノズル本体の中空部を流動した後、整流部により整流されてから縮流ガイドにガイドされてスリット状のガスを噴出する。このとき、整流部は、複数の噴出孔が所定間隔をあけて形成されることから、スリット状のガス噴流に流体力分布が発生しやすい。しかし、整流部を通過したガスは、縮流ガイドにより中央部側に寄せられることとなり、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、溶融金属を適正に除去することができる。

本発明のガスノズルでは、前記縮流ガイドにおける前記ガス流路の面積は、前記整流部における前記複数の噴出孔の合計面積より小さく設定されることを特徴としている。

従って、整流部におけるガス通路面積より縮流ガイドにおけるガス通路面積が小さいことから、ガス噴流は、縮流ガイドの通過時に再び加速して整流されることとなり、スリット状のガス噴流における流体力の均一化を図ることができる。

本発明のガスノズルでは、前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における長辺方向の寸法が小さくなることを特徴としている。

従って、ガス噴流が縮流ガイドを通過するとき、スリット状の噴出口における長辺方向に寄せることで、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を効果的に抑制することができる。

本発明のガスノズルでは、前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が小さくなることを特徴としている。

従って、ガス噴流が縮流ガイドを通過するとき、スリット状の噴出口における短辺方向に寄せることで、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を更に効果的に抑制することができる。

本発明のガスノズルでは、前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が小さくなる絞り部と、前記絞り部からガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が大きくなる開放部とを有することを特徴としている。

従って、整流部を通過したガスは、縮流ガイドの絞り部で加速された後、開放部で更に加速されることとなり、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化することができると共に、ガス噴流の流体力を向上することができる。

本発明のガスノズルでは、前記ノズル本体の先端部における外側にエゼクタプレートが配置されることを特徴としている。

従って、ノズル本体の先端部からガスが噴出されるとき、ノズル本体とエゼクタプレートとの間の空間の圧力が低下し、外部の空気がこの空間に吸い込まれてノズル本体の先端部に噴出されることとなり、ガスの噴出流量を増加することができる。

本発明のガスノズルでは、前記エゼクタプレートは、前記噴出口よりガス噴出方向の下流側に絞り部が設けられることを特徴としている。

従って、ノズル本体の先端部からガスが噴出されるとき、絞り部の位置でガス噴流の圧力低下が大きくなることで、ガスの噴出流量を増加させることができる。

また、本発明のレーザガウジング装置は、レーザ光を照射することで金属製の被加工部材の表面を溶融するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドからのレーザ光照射位置に向けてガスを噴出する前記ガスノズルと、を備えることを特徴とするものである。

従って、レーザ加工ヘッドが金属製の被加工部材の表面にレーザ光を照射すると、被加工部材は、レーザ光照射位置の表面が溶融する。このとき、ガスノズルは、レーザ光照射位置に向けてガスを噴出すると、発生した溶融金属を噴出ガスの流体力により除去することができる。そして、ガスノズルは、整流部を通過したガスを縮流ガイドにより中央部側に寄せるため、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、溶融金属を適正に除去することができる。

本発明のガスノズル及びレーザガウジング装置によれば、ノズル本体の整流部の先端部にガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドを設けるので、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、溶融金属を適正に除去することができる。

図１は、第１実施形態のレーザガウジング装置を表す斜視図である。 図２は、第１実施形態のガスノズルを表す一部切欠平面図である。 図３は、ガスノズルを表す一部切欠側面図である。 図４は、従来のガスノズルにおける流体力を表す概略図である。 図５は、第１実施形態のガスノズルにおける流体力を表す概略図である。 図６は、第２実施形態のガスノズルを表す斜視図である。 図７は、ガスノズルを表す平面図である。 図８は、ガスノズルを表す側面図である。 図９は、第３実施形態のガスノズルを表す斜視図である。 図１０は、ガスノズルの先端部を表す断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るガスノズル及びレーザガウジング装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のレーザガウジング装置を表す斜視図である。

第１実施形態において、図１に示すように、レーザガウジング装置１０は、レーザ加工ヘッド１１と、ガスノズル１２とから構成されている。

レーザ加工ヘッド１１は、金属製の被加工部材Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射することで、この被加工部材Ｗの表面Ｗａを溶融させるものである。ガスノズル１２は、レーザ加工ヘッド１１からのレーザ光Ｌの照射位置Ｌａに向けて、被加工部材Ｗの表面Ｗａに沿うスリット状のガスＧを噴出するものである。そのため、レーザ加工ヘッド１１が被加工部材Ｗの表面Ｗａに平行なＡ方向に所定速度で移動するとき、ガスノズル１２も、レーザ加工ヘッド１１と同様に、被加工部材Ｗの表面Ｗａに平行なＢ方向に所定速度で移動する。すると、被加工部材Ｗは、表面Ｗａにレーザ加工ヘッド１１及びガスノズル１２に沿って加工面Ｗｂが形成され、ガスノズル１２から噴出されるガスＧにより発生した溶融金属が吹き飛ばされて除去される。

ここで、第１実施形態のガスノズルについて詳細に説明する。図２は、第１実施形態のガスノズルを表す一部切欠平面図、図３は、ガスノズルを表す一部切欠側面図である。

ガスノズル１２は、図１から図３に示すように、ノズル本体２１と、ガス供給ホース２２と、整流部２３と、縮流ガイド２４とを備えている。

図１及び図２に示すように、ノズル本体２１は、中空の矩形箱形形状をなし、基端部側が閉塞し、先端部側がスリット状に開口する噴出口３１が形成されている。この場合、ノズル本体２１は、一対の第１平面部２１ａ，２１ｂが対向すると共に、一対の第２平面部２１ｃ，２１ｄが対向している。また、ノズル本体２１は、一対の第１平面部２１ａ，２１ｂと一対の第２平面部２１ｃ，２１ｄによりガス流路（中空部）３２が形成されており、このガス流路３２は、噴出口３１に向けてその幅と高さが漸次狭くなっている。即ち、一対の第１平面部２１ａ，２１ｂ、一対の第２平面部２１ｃ，２１ｄは、それぞれ噴出口３１に向けて徐々に接近している。

ガス供給ホース２２は、先端部がノズル本体２１の基端部に連結されることで、ガス（例えば、圧縮空気、不活性ガス）Ｇをガス流路３２に供給可能となっている。整流部２３は、ノズル本体２１の噴出口３１に固定されている。この整流部２３は、ガス流れ方向に沿う噴出孔３３がノズル本体２１の幅方向に所定間隔（等間隔）をあけて複数形成されて構成されている。

縮流ガイド２４は、ノズル本体２１の先端部、つまり、整流部２３の先端部に固定されている。この縮流ガイド２４は、ガス噴出方向に向けて狭くなるガス流路３４が設けられている。即ち、縮流ガイド２４は、一対の第１平面部２４ａ，２４ｂと一対の第２平面部２４ｃ，２４ｄによりガス流路３４が形成されており、このガス流路３４は、ガス噴出方向に向けてその幅と高さが漸次狭くなっている。即ち、一対の第１平面部２４ａ，２４ｂ、一対の第２平面部２４ｃ，２４ｄは、ガス噴出方向に向けて徐々に接近している。

そのため、縮流ガイド２４は、ガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における長辺（第１平面部２４ａ，２４ｂ）方向の寸法が小さくなっている。また、縮流ガイド２４は、ガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における短辺（第２平面部２４ｃ，２４ｄ）方向の寸法が小さくなっている。

また、縮流ガイド２４におけるガス流路３４の出口面積は、整流部２３における複数の噴出孔３３の合計出口面積より小さく設定されていることがのぞましい。この場合、縮流ガイド２４におけるガス流路３４の出口面積とは、縮流ガイド２４におけるガス噴出方向の最下流位置での通路面積であり、整流部２３における複数の噴出孔３３の合計出口面積とは、各噴出孔３３におけるガス噴出方向の最下流位置での合計通路面積である。

ここで、本実施形態のガスノズル１２の作用について説明する。図４は、従来のガスノズルにおける流体力を表す概略図、図５は、第１実施形態のガスノズルにおける流体力を表す概略図である。

ガスＧは、ガス供給ホース２２を通してノズル本体２１に供給され、このノズル本体２１のガス流路３２を流動した後、整流部２３の各噴出孔３３を通過することで整流され、縮流ガイド２４にガイドされて前方にスリット状のガスＧを噴出する。このとき、整流部２３は、複数の噴出孔３３が所定間隔をあけて形成されて構成されることから、スリット状のガス噴流に流体力分布が発生しやすい。

即ち、縮流ガイドのない従来のガスノズル００１では、図４に示すように、ガスＧがノズル本体００２のガス流路００３を流動した後、整流部００４の各噴出孔００５を通過して前方に噴出することから、このガス噴流の流体力は、噴出孔００５のある位置で大きく、噴出孔００５のない位置で小さくなり、幅方向に凹凸形状となる流速分布（流体力分布）Ｓ１が発生してしまう。

一方、図５に示すように、縮流ガイド２４のある本実施形態のガスノズル１２では、図５に示すように、ガスＧがノズル本体２１のガス流路３２を流動した後、整流部２３の各噴出孔３３を通過し、縮流ガイド２４によりガス流路３４の中央部側に寄せられることから、このガス噴流の流体力は、幅方向でほぼ均一となり、幅方向に一定な流速分布（流体力分布）Ｓ２となる。

このように第１実施形態のガスノズルにあっては、中空形状をなしてスリット状の噴出口３１を有するノズル本体２１と、ノズル本体２１の基端部に連結されるガス供給ホース２２と、噴出口３１に設けられて複数の噴出孔３３がノズル本体２１の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部２３と、整流部２３の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路３４が狭くなる縮流ガイド２４とを設けている。

従って、ノズル本体２１のガス流路３２を流動して整流部２３により整流されたガスＧは、縮流ガイド２４にガイドされてスリット状のガスＧを噴出する。このとき、整流部２３を通過したガスＧは、縮流ガイド２４により中央部側に寄せられることとなり、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、発生した溶融金属を適正に除去することができる。

第１実施形態のガスノズルでは、縮流ガイド２４におけるガス流路３４の出口面積を、整流部２３における各噴出孔３３の合計出口面積より小さく設定している。従って、ガス噴流は、縮流ガイド２４の通過時に再び加速して整流されることとなり、スリット状のガス噴流における流体力の均一化を図ることができる。

第１実施形態のガスノズルでは、縮流ガイド２４は、ガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における長辺方向の寸法が小さくなっている。従って、ガス噴流が縮流ガイド２４を通過するとき、スリット状の噴出口３１における長辺方向に寄せることで、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を効果的に抑制することができる。

第１実施形態のガスノズルでは、縮流ガイド２４は、ガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における短辺方向の寸法が小さくなっている。従って、ガス噴流が縮流ガイド２４を通過するとき、スリット状の噴出口３１における短辺方向に寄せることで、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を更に効果的に抑制することができる。

また、第１実施形態のレーザガウジング装置にあっては、レーザ光Ｌを照射することで金属製の被加工部材Ｗの表面Ｗａを溶融するレーザ加工ヘッド１１と、レーザ加工ヘッド１１からのレーザ光照射位置Ｌａに向けてガスＧを噴出するガスノズル１２とを設けている。

従って、レーザ加工ヘッド１１が被加工部材Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射すると、被加工部材Ｗは、レーザ光Ｌの照射位置Ｌａの表面が溶融する。このとき、ガスノズル１２は、レーザ光Ｌの照射位置Ｌａに向けてガスＧを噴出すると、発生した溶融金属を噴出ガスＧの流体力により除去することができる。そして、ガスノズル１２は、整流部２３を通過したガスＧを縮流ガイド２４により中央部側に寄せるため、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、溶融金属を適正に除去することができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態のガスノズルを表す斜視図、図７は、ガスノズルを表す平面図、図８は、ガスノズルを表す側面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態において、図６から図８に示すように、ガスノズル４１は、ノズル本体２１と、ガス供給ホース２２と、整流部２３と、縮流ガイド２４と、エゼクタプレート４２を備えている。ここで、ノズル本体２１とガス供給ホース２２と整流部２３と縮流ガイド２４は、第１実施形態と同様の構成であるから、説明は省略する。

ノズル本体２１は、先端部側におけるその外側にエゼクタプレート４２が配置されている。エゼクタプレート４２は、ノズル本体２１の外面から所定隙間を空けて取り囲むような四角筒形状をなし、ノズル本体２１の外面に略平行でガス噴出方向に向けて狭くなる第１筒部４２ａと、第１筒部４２ａからガス噴出方向に向けて広くなる第２筒部４２ｂとから構成され、第１筒部４２ａと第２筒部４２ｂとの間に絞り部４３が設けられている。この絞り部４３は、ノズル本体２１（縮流ガイド２４）よりガス噴出方向の下流側に位置している。

そのため、ガスＧは、ガス供給ホース２２を通してノズル本体２１に供給され、このノズル本体２１のガス流路３２を流動した後、整流部２３の各噴出孔３３を通過することで整流され、縮流ガイド２４にガイドされて前方にスリット状のガスＧを噴出する。このとき、ノズル本体２１（縮流ガイド２４）の先端部からガスＧが噴出されると、ノズル本体２１とエゼクタプレート４２との間の空間（ガス流路）の圧力が低下し、外部の空気がこの空間に吸い込まれてノズル本体２１の先端部側に噴出される。すると、ガスノズル４１からのガスＧ噴出流量が増加する。

このように第２実施形態のガスノズルにあっては、ノズル本体２１の先端部における外側にエゼクタプレート４２を配置している。従って、ノズル本体２１の先端部からガスＧが噴出されるとき、ノズル本体２１とエゼクタプレート４２との間の空間に外部の空気が流入してノズル本体２１の先端部側に噴出されることとなり、ガスＧの噴出流量を増加することができる。その結果、発生した溶融金属を適正に除去することができる。

第２実施形態のガスノズルでは、エゼクタプレート４２における噴出口３１よりガス噴出方向の下流側に絞り部４３を設けている。従って、ノズル本体２１の先端部からガスＧが噴出されるとき、絞り部４３の位置でガス噴流の圧力低下が大きくなることで、ガスＧの噴出流量を増加させることができる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態のガスノズルを表す斜視図、図１０は、ガスノズルの先端部を表す断面図である。

第３実施形態において、図９及び図１０に示すように、ガスノズル５１は、ノズル本体２１と、ガス供給ホース２２と、整流部２３と、縮流ガイド５２とを備えている。ここで、ノズル本体２１とガス供給ホース２２と整流部２３は、第１実施形態と同様の構成であるから、説明は省略する。

縮流ガイド５２は、所謂、ラバールノズルであって、絞り部５３と開放部５４とから構成されている。即ち、縮流ガイド５２は、ノズル本体２１（整流部２３）の先端部からガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなって絞り部５３が形成され、この絞り部５３からガス噴出方向に向けてガス流路か広くなる開放部５４が形成されている。絞り部５３は、ガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における短辺方向の寸法が小さくなるものであり、開放部５４は、絞り部５３からガス噴出方向に向けてスリット状の噴出口３１における短辺方向の寸法が大きくなるものである。

そのため、ガスＧは、ガス供給ホース２２を通してノズル本体２１に供給され、このノズル本体２１のガス流路３２を流動した後、整流部２３の各噴出孔３３を通過することで整流され、縮流ガイド５２にガイドされて前方にスリット状のガスＧを噴出する。このとき、整流部２３を通過したガスＧは、縮流ガイド５２の絞り部５３の通過時に音速に加速された後、開放部５４で超音速に加速されることとなる。すると、縮流ガイド５２によりスリット状に噴出されたガスＧの流速が上昇し、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化することができる。

このように第３実施形態のガスノズルにあっては、中空形状をなしてスリット状の噴出口３１を有するノズル本体２１と、ノズル本体２１の基端部に連結されるガス供給ホース２２と、噴出口３１に設けられて複数の噴出孔３３がノズル本体２１の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部２３と、ガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる絞り部５３と絞り部５３からガス流路が広くなる開放部５４とを有する縮流ガイド５２とを設けている。

従って、ノズル本体２１のガス流路３２を流動して整流部２３により整流されたガスＧは、縮流ガイド５２にガイドされてスリット状のガスＧを噴出する。このとき、整流部２３を通過したガスＧは、縮流ガイド５２により超音速まで加速されて整流されることで、上流側の流路３３で発生した流速分布が除去されることとなり、スリット状のガス噴流における流体力分布の発生を抑制して均一化し、発生した溶融金属を適正に除去することができる。

１０ レーザガウジング装置
１１ レーザ加工ヘッド
１２，４１，５１ ガスノズル
２１ ノズル本体
２２ ガス供給ホース
２３ 整流部
２４，５２ 縮流ガイド
３１ 噴出口
３２ ガス流路
３３ 噴出孔
３４ ガス流路
４２ エゼクタプレート
４３，５３ 絞り部
５４ 開放部

Claims (7)

1. 中空形状をなしてスリット状の噴出口を有するノズル本体と、
   前記ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、
   前記噴出口に設けられて複数の噴出孔が前記ノズル本体の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部と、
   前記整流部の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドと、
   を備え、
   前記縮流ガイドにおける前記ガス流路の面積は、前記整流部における前記複数の噴出孔の合計面積より小さく設定される、
   ことを特徴とするガスノズル。
2. 中空形状をなしてスリット状の噴出口を有するノズル本体と、
   前記ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、
   前記噴出口に設けられて複数の噴出孔が前記ノズル本体の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部と、
   前記整流部の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドと、
   を備え、
   前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における長辺方向の寸法が小さくなる、
   ことを特徴とするガスノズル。
3. 前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が小さくなることを特徴とする請求項２に記載のガスノズル。
4. 中空形状をなしてスリット状の噴出口を有するノズル本体と、
   前記ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、
   前記噴出口に設けられて複数の噴出孔が前記ノズル本体の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部と、
   前記整流部の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドと、
   を備え、
   前記縮流ガイドは、ガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が小さくなる絞り部と、前記絞り部からガス噴出方向に向けて前記スリット状の噴出口における短辺方向の寸法が大きくなる開放部とを有する、
   ことを特徴とするガスノズル。
5. 中空形状をなしてスリット状の噴出口を有するノズル本体と、
   前記ノズル本体の基端部に連結されるガス供給ホースと、
   前記噴出口に設けられて複数の噴出孔が前記ノズル本体の幅方向に所定間隔をあけて形成される整流部と、
   前記整流部の先端部に設けられてガス噴出方向に向けてガス流路が狭くなる縮流ガイドと、
   を備え、
   前記ノズル本体の先端部における外側にエゼクタプレートが配置される、
   ことを特徴とするガスノズル。
6. 前記エゼクタプレートは、前記噴出口よりガス噴出方向の下流側に絞り部が設けられることを特徴とする請求項５に記載のガスノズル。
7. レーザ光を照射することで金属製の被加工部材の表面を溶融するレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドからのレーザ光照射位置に向けてガスを噴出する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスノズルと、
   を備えることを特徴とするレーザガウジング装置。

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