JP7154430B2 - ガスガイド、レーザ切断ヘッド及びレーザ切断機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断ヘッド用のガスガイド、レーザ切断ヘッド、及びレーザ切断ヘッドを有するレーザ切断機に関する。特に、本発明は、請求項１に記載のガスガイド、請求項１３に記載のレーザ切断ヘッド、及び請求項１４に記載のレーザ切断機に関する。

工作機械は、工具を用いて被加工物を製造・加工するために使用される。ここでは、工作機械として、例えば、レーザ加工機、特にレーザ切断機が考えられている。レーザ加工機は、刻印、構造化、溶接、熱処理のほか、例えば表層硬化やコーティング、さらには、高速試作や選択焼結などの量産加工にも用いることができる。

レーザ加工機には、切断ガスを供給するための切断ガス供給装置が設けられている。切断ガス供給装置は、ガス源に接続するための１以上の外部接続部と、切断ガスを誘導・分配するための内部の複数の流路又は切込みを有する。切断ガスは、（切断ガスとして酸素を備える）フレーム切断の際の燃焼プロセスと、溶断の際のスラグの流出をサポートする。

切断の品質は、特にガスの流れに左右される。このように、ガスの流れに乱れや渦があると、刃先に乱れが発生する。

特許文献１には、補助ガスを注入するための環状ノズルを有するレーザ加工ヘッドを開示されている。環状ノズルは、第１環状部、第２環状部、及び変換リングを備える。変換リングは、環状ノズルの回転軸に対して鋭角に延びる補助ガスの出口開口を有する。

特許文献２には、アシストガスが圧力室からノズル内のガスの流動軸に垂直な連絡路を介してノズル孔に供給されるレーザ加工ヘッドが開示されている。

特許文献３には、加工ノズルから被加工物に加工ガスを噴射しながら、加工ノズルを介して被加工物にレーザ光を収束照射するレーザ加工ヘッドが記載されている。加工ガスは、環状流路から接続流路を介して加工ノズルに供給される。

特許文献４には、キャビティ内に形成された噴射口を介してアシストガスがノズルに噴射される加工ヘッドが開示されている。

特許文献５には、ノズル本体に設けたガスキャリッジユニットに形成された搬送通路を介してノズル孔にガスを導入するレーザ加工ヘッドが開示されている。

ドイツ特許公開第１０２０１２０２５６２７号明細書 国際特許公開第２０１５／１１０８８７号明細書 特開平６－４２５６７８号公報 特開２０００－２２５４８８号公報 特開２００４－１４８３６０号公報

本発明の目的は、先行技術の欠点を解消し、改良されたガスガイドを提供することである。他の目的は、改良されたレーザ切断ヘッド又は改良されたレーザ加工機を提供することである。

これらの目的は、請求項１に係るガスガイド、請求項１３に係るレーザ切断ヘッド、及び請求項１４に係るレーザ加工機によってそれぞれ達成される。

本発明に係る中心の流動軸を有するノズルを備えたレーザ切断ヘッドのためのガスガイドは、流動軸を同心円状に囲む圧力室を有し、ガスの流れを受け入れるように構成されたベース部を備え、ベース部は、流動軸方向に圧力室から延びる少なくとも４つのガス導管を有し、圧力室及びガス導管の断面は、ガスがガス導管を流出するときに最大流量となるように形成されている。

さらに、本発明に係るガスガイドでは、各ガス導管が流出口を有する。流出口は、ガス流の流動方向で、流動軸に対する角度を減少させながら延びている。減少する角度により、コアンダ効果が強化され、ガス流れは基本的に均圧流路又はガス導管の外郭に沿ってさらに引かれるので、流れのガイドに有利になる。

本発明に係るガスガイドは、ガス又は流体の経路の断面が連続的に最適化されている。これにより、ガスや流体の流れが最適化され、乱流や渦が回避されるという利点がある。このようにして、ガス又は流体は、ガイドを出て、レーザビームが延びるノズル内部に入るときに、その最大流量に到達する。ガス又は流体の速度は、進行中のガスガイドによって連続的に増加させることができる。明確にするために、これ以降はガスという表現を使用するが、他の流体も含む。圧力室は、リング状に形成することができ、ガス導管と連動して、ガスの流れを流動軸方向に偏らせる役割を果たす。ガス導管は、ガス又は流体の流れを誘導するための細長い形状を有する空間である流路と見なすことができる。

流れを最適化することで、ガス流れの損失が最小限に抑えられ、より多くのエネルギーを切断プロセスに利用することができるという利点がある。さらに、切断品質を向上させたり、切断速度を増大させたりすることができる。

圧力室と少なくとも１つのガス入口との間に、少なくとも２つのガス流路を設けることができる。少なくとも２つのガス流路は、圧力室の接線方向及び／又は半径方向に開口する。複数、好ましくは合計４から８本のガス流路に分割することで、圧力室内へのガスの流れをより正確に分配することができる。ガス流路は、ガスや流体の流れを誘導するための細長い形状の空間を含んでいてもよいし、そのような空間で構成されていてもよい。

さらに、少なくとも２つのガス流路の間に、送ガス要素を設けることもできる。送ガス要素は、例えば、ガス流路に流れを導くために２つのガス流路の間に配置される先端部を備えることができる。ガス流路の数に応じて、複数の送ガス要素を設けることができる。また、送ガス要素は、流路の一部を構成してもよい。さらに、送ガス要素は、流路を分割してもよい。送ガス要素は、ガス流入口をガス流路に分割してもよい。

少なくとも２つのガス流路、ガス入口、圧力室及びガス導管の断面は、ガスがガス導管を流出するときに最大流量となるように形成することができる。既存のガス流路の場合、最適なガスガイドを実現するために、これらの断面も最適化される。

さらに、圧力室は、連続した凹部、均圧口に接続された領域を構成する２つの凹部、又は４つの相互に分離した凹部を有することができる。圧力室を分割又は細分化することにより、ガスガイドをさらに最適化することができる。ガスが圧力室に流入する際、流れを２方向に分離させる必要がある。圧力室に２つの側面からガスを導入すると、２つのガスの流れが合流するときに乱流となる。この合流が圧力室内で行われれば、その影響は小さくなる。このため、この部分には仕切りやウェブを設ける必要がある。この支持形状は、乱流が少ないことを意味する。

少なくとも２つのガス流路を各凹部に開口させることができる。この配置は、ガス流路から圧力室内への乱流の少ないガスの流入をサポートする。

さらに、少なくとも４本から２４本、好ましくは２２本のガス導管を設けることができる。この数のガス導管により、ガスの流れ全体を最適に分配できることが示されている。より多くのガス導管を設けるようにしてもよい。

ガス導管を流動軸の周りに同心円状に配置することができる。このようなガス導管の配置により、ガスの流れを最適に分配できることが示されている。圧力室が、例えばその間に配置されたウェブによって複数の凹部又は領域に分割されれば、同心円状の配置を維持することができる。

さらに、同心円状の均圧流路をガス導管に隣接させることもできる。同心円セグメント形状を持つこの均圧流路は、ガス導管の出口が開口する場所である。ガス導管の個々の流れは、均圧流路で適宜合流する結果、全体的に穏やかな流れとなる。

均圧流路は流出口を有し、ガス流れの流動方向で、流動軸から離れた均圧流路の外郭を、流動軸に対する角度が減少するように延長することができる。この減少した角度により、コアンダ効果が強化され、ガスの流れが基本的に均圧流路又はガス導管の外郭に沿ってさらに引かれるので、流れのガイドに有利となる。

少なくとも２つのガス流路、圧力室、ガス流路及び均圧流路、又は圧力室、ガス流路及び均圧流路の断面は、ガスが流出口の領域で均圧流路を出るときに最大流量となるように形成することができる。既存の均圧流路や既存のガス流入口がある場合、最適なガスガイドを実現するために、これらの断面を最適化することもできる。

さらに、ガスガイドが上部と下部を有し、上部と下部の間に圧力室、ガス導管及び／又は均圧流路を形成することができる。この構造により、例えば、圧力室とガス導管をフライス加工などにより簡単に製造することができる。これに代えて、一体型の構造を提供することもでき、その製造には、例えば、付加製造又は高速プロトタイピングを用いることができる。

レーザ切断機のための本発明に係るレーザ切断ヘッドは、上述するように、レーザ供給部、ノズル、及びガスガイドを備える。それ以外は、上述のように、同じ利点と改良が適用される。

本発明に係るレーザ切断機は、上述するようなレーザ切断ヘッド及び／又は上述するようなガスガイドからなる。それ以外は、上述するように、同じ利点と改良が適用される。

本発明のさらに好ましい実施形態は、従属項に記載された残りの特徴から明らかとなる。

本願で述べた本発明の様々な実施形態は、個々の事例で特に述べない限り、互いに有利に組み合わせることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

ガスガイドを有するレーザ切断ヘッドの断面図である。 第１実施形態に係るガスガイドのさらなる断面図である。 第２実施形態に係るガスガイドの断面図である。 ガスガイドの断面図である。 図４の拡大詳細図である。 レーザ切断ヘッドを有するレーザ切断機の斜視図である。

図１は、ガスガイド１１を有するレーザ切断ヘッド１０の断面図である。このようなレーザ切断ヘッド１０は、例えば、レーザ切断機に用いられる。

レーザ切断ヘッド１０は、クリーンルームとして設計された内部１４を備えたベース本体１２を有する。ベース本体１２の外側には、例えばファイバーレーザなどのレーザ光源１６が取り付けられている。レーザ光源１６は、内部１４に向かってレーザ光１８を発生させる。参照符号１６は、外部のレーザ光源のレーザビームを出力するカップリング部材を示す。カップリング部材は、例えば、エンドキャップを有するファイバープラグであってもよい。

レーザビーム１８は、ファイバーブッシュ１３を介して内部１４に入る。レーザビーム１８はさらに、ミラーなどの偏向素子１５まで延びる。偏向されたレーザビーム１８はレンズ１７を通過する。最後に、レーザビーム１８は、ベース本体１２を介して内部１４から離れる。その後、レーザビーム１８は、ガスガイド１１に入り、そこでガス流れ２０にぶつかる。レーザビーム１８は、ノズル又はノズル電極１９を介して、ガスガイド１１、そしてレーザ切断ヘッド１０から離れる。

ここでは、ガスガイド１１は複数の部品で構成され、少なくとも１つの上部部品２１、１又は複数のガス流入口２３ａ、２３ｂ、少なくとも１つの圧力室２４、及び少なくとも１つの下部部品２２を備える。上部部品２１と下部部品２２の形状、及びガス流入口２３ａ、２３ｂの位置と数を変更することにより、ガス流れ２０は切断プロセスにプラスの影響を受けることができる。複数の凹部又は領域に分割可能な圧力室２４は、上部部品２１及び下部部品２２によって形成することができる。

ガスガイド１１は、流動軸Ｓに対して軸対称及び／又は回転対称である。流動軸Ｓは、下部領域に於けるレーザビーム１８の光軸に一致し、ノズル電極１９の方向に於けるガス流れの中心軸を示す。２つのガス流入口２３ａ、２３ｂは、流動軸Ｓを中心とする同心円状に配置されている。ガスガイド１１では、ガス流入口２３ａ、２３ｂで、当初、放射状となっていたガス流れが、軸方向のガス流れに偏向される。

図２は、第１実施形態に係るガスガイド１１aの断面図である。この断面図は、流動軸がシート面に垂直な面となっているため、図１の断面図とは直交している。

ここで、上部２１ａ及び下部２２ａ、並びにガス流路２５ａ及び２５ｂは、ガス流入口２３ｃ及び２３ｄを介して流動するガス流れ２０ａが正面には衝突しないが、流れを最適化する方法で、圧力室又は圧力室の少なくとも２つの領域若しくは凹部２４ａ及び２４ｂに流れるように形成されている。ガス流れ２０ａは、より少ない渦を保証して、圧力室内で落ち着かせることができる。ガスは、少なくとも４つのガス導管２６ａ（図示の例では１０本のガス導管２６ａ）と、少なくとも１つの均圧流路２７ａとを介して壁に沿って下向きにノズル１９へと導かれる。均圧流路２７ａは、流動軸の周りに同心円状に形成されている。

図３は、第２実施形態に係るガスガイド１１ｂの断面図を示す。ここでは、上部２１ｂ及び下部２２ｂ、並びにガス流路２５ｃ及び２５ｄは、ガス入口２３ｅ及び２３ｆを介して流動するガス流れ２０ｂが正面には衝突しないが、流れを最適化する方法で、この場合、４つの圧力室２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ及び２４ｆに流れ、より少ない渦を保証してガス流れ２０ｂを落ち着かせることができるように形成されている。ガス流路２５ｃ、２５ｄは、それぞれ４つの副流路からなり、その間に送ガス要素が流路分割器の形で設けられている。ガスは、少なくとも４つのガス導管２６ｂ（図示の例では８つのガス導管２６ｂ）と、少なくとも１つの均圧流路２７ｂとを介して、壁に沿って下向きにノズル１９へと導かれる。このようにして、複数のガス導管２６ｂは、均圧流路２７ｂに開口すなわち合流する。

図５は、上部２１ｃ及び下部２２ｃを有する第１及び第２実施形態に係るガスガイド１１ｃの断面図を示す。

図５は、図４の領域Ｘの拡大詳細図を示す。圧力室２４ｂからガス導管２６ｃを介して均圧流路２７ｃに流入するガス流れ２０ｃの機能を、図５を参照して説明する。このように方向付けされたガス流れ２０ｃは、下部の壁に沿ってノズル１９へと流動する。

ガス流れ２０ｃは、まず、複数のガス流入口（ここでは図示せず）を介して圧力室２４ｂに導かれる。この供給は、流動軸Ｓに対して垂直、すなわち放射状又は略垂直に延ばすことができる。またガス入口は、圧力室２４ｇ内に、ある角度で衝突させることもできる。ガス流れ２０ｃは、圧力室２４ｇから出てガス導管２６ｃ内へと延びる。少なくとも４つのガス導管が設けられ、そのうちの１つのガス導管２６ｃが示されている。

各ガス導管は２つのリブの間に形成することができる。リブ及びガス導管は、まず、半径方向に、次に、ノズル又はワークピースに向かい、次第に軸方向に延びる。

その後、ガス導管２６ｃは流動軸Ｓの周りに同心円状に形成された均圧流路２７ｃに合流する。均圧流路２７ｃは、流れ方向の下端に流出口２８を有する。ガス導管２６ｃ及び均圧流路２７ｃ、又は流動軸Ｓから離れたその外郭は、流動軸Ｓに対して、好ましくは連続的に角度を変化させながら延びている。言い換えれば、角度はますます浅くなっている。均圧流路がなければ、各ガス導管は対応する流出口を有する。流出口２８は、半径方向外側のガス流れ２０ｃのために凸状に形成されている。

ガス流れ２０ｃは基本的に、均圧流路２７ｃ又はガス導管２６ｃの外郭に沿ってさらに引かれるので、均圧流路２７ｃ又は流出口２８の設計は流れのガイドに有利なコアンダ効果の形成につながる。

圧力室２４の接続部及びガス流入口２３ａ、２３ｂそれぞれの少なくとも２つのガス流路２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、ガス導管２６ａ、２６ｂ及び均圧流路２７ｃの断面は、ガス又はガス流れ２０ｄが、均圧流路２７ｃ及びガス導管２６ａ、２６ｂそれぞれからの流出口２８で最大流量となるように形成されている。

断面は、例えばガス導管毎に個別ではなく、全体として、つまり全てのガス導管について考えられている。したがって、ガス導管の断面は、ガス導管の数と各断面とを掛け合わせることによって得られる。最も小さい断面は、流出口２８の領域にある。

図６は、レーザ切断ヘッド１０を有するレーザ切断機２００の概略斜視図である。レーザ切断ヘッド１０は、少なくともｘ方向とｙ方向に移動できるように、可動式ブリッジ２０２上に配置されている。レーザ光源２０４は、レーザ光を生成し、光ファイバを介してレーザ切断ヘッド１０に供給する。レーザ光によって、例えばシートなどの被加工物２０８が切断される。

ここで紹介するガスガイド１１、又はそれを搭載したレーザ切断ヘッド１０、又はそれを搭載したレーザ切断機２００は、流量機械的に最適化されたガス流れを可能にし、その結果、ガス消費量を削減し、切断品質及び／又は切断速度を向上させることができる。

Claims (13)

1. 中心の流動軸（Ｓ）を有するノズル（１９）を備えたレーザ切断ヘッド（１０）においてガスをノズル内部に導くためのガスガイドであって、
   ガス流れ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を受け入れるように構成された、流動軸（Ｓ）を同心円状に囲む圧力室（２４）を有するベース部を備え、
   前記ベース部は、圧力室（２４）から流動軸（Ｓ）方向に延びる少なくとも４つのガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）を有し、
   圧力室（２４）及びガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）の断面は、ガスがガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）を流出するときに最大流量となるように形成され、
   前記ガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）はそれぞれ、ガス流れ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の流動方向に向かって流動軸（Ｓ）との角度を減少させながら延びている、ガスガイド。
2. 前記圧力室（２４）と、前記圧力室にガス流れを導く少なくとも１つのガス入口（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ）との間に、少なくとも２つのガス流路（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）が設けられ、前記少なくとも２つのガス流路（２５ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ）は、圧力室（２４）内に接線方向及び／又は半径方向に開口している、請求項１に記載のガスガイド。
3. 前記少なくとも２つのガス流路（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）、ガス入口（２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆ）、圧力室（２４）、及びガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）の断面は、ガスがガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）を出るときに最大流量になるように寸法が決められている、請求項２に記載のガスガイド。
4. 前記圧力室（２４）は、連続した凹部、均圧口で接続された領域を構成する２つの凹部（２４ａ、２４ｂ）、又４つの相互に分離した凹部（２４ａ、２４ｂ）で構成され、前記凹部は、上部部品（２１）と下部部品（２２）の対向面に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のガスガイド。
5. 前記少なくとも２つのガス流路（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）は各凹部に開口している、請求項２から４のいずれか１項に記載のガスガイド。
6. 少なくとも４本から２４本のガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）が設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載のガスガイド。
7. 前記ガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）は、流動軸（Ｓ）の周りに同心円状に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のガスガイド。
8. 前記ガス導管（２６ａ、２６ｂ）には、同心円状の均圧流路（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）が隣接している、請求項１から７のいずれか１項に記載のガスガイド。
9. 前記流動軸（Ｓ）から離れた均圧流路（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）の外郭は、ガス流れ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）の流動方向に流動軸（Ｓ）に対する角度を減少させながら延びている、請求項８に記載のガスガイド。
10. 前記少なくとも２つのガス流路（２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ）、前記圧力室（２４）、ガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）、及び均圧流路（２７ｃ）の断面、又は圧力室（２４）、ガス導管（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）、及び均圧流路（２７ｃ）の断面は、ガスが前記ガス導管及び前記均圧流路の流出口（２８）の領域で最大流量を有するように形成されている、請求項８又は９に記載のガスガイド。
11. 前記ガスガイド（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）は、上部（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）と下部（２２、２２ａ、２２ｂ）を有し、圧力室（２４）、ガス導管（２６ａ、２６ｂ）及び／又は均圧流路（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）は、上部（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）と下部（２２、２２ａ、２２ｂ、２１ｃ）の間に形成されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のガスガイド。
12. レーザ供給部（１６）、ノズル（１９）及び請求項１から１１のいずれか１項に記載のガスガイド（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が設けられている、レーザ切断機（２００）用のレーザ切断ヘッド。
13. 請求項１２に記載のレーザ切断ヘッド（１０）を有するレーザ切断機。

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