JP7202838B2 - レーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置に関する。
特許文献1に、レーザ加工ヘッドに装着するノズル本体と、ノズル本体の先端に結合させた独立部品としてのノズルチップと、を有する二分割構造のレーザ加工用ノズルが記載されている。
特開平5-228680号公報
レーザ加工装置は、一般に、レーザ加工用ノズルの先端部とワークの表面との間の距離であるノズルギャップを静電容量センサなどのギャップセンサで計測し、レーザ加工を、ノズルギャップが所望の距離となるように維持する倣い制御をしながら行えるようになっている。
ノズルギャップは、レーザ加工ヘッドに内蔵された集束レンズにより調整されるレーザ光の焦点位置と高度に関連づけられている。
一方、特許文献1に記載されたレーザ加工用ノズルは、ノズル本体とノズルチップとの間に接着剤を介在させて両者を一体化している。そのため、介在する接着剤の厚さのばらつきに応じて、倣い制御におけるワークの表面と集束レンズとの間の距離がばらつき、レーザ光の焦点位置がワークに対して良好に位置決めできず、良好な加工品質を得にくい、という不具合がある。
また、特許文献1に記載されたレーザ加工用ノズルのノズルチップは、材料として、プレス成形を容易にするためにアルミニウムが用いられている。しかしながら、アルミニウムを用いたノズルチップは、レーザ加工において材料上面に吹き上がって突出するいわゆるヒゲが形成された場合に、ヒゲとの擦れで損傷し易く寿命が短い。そのため、交換頻度が高くなり稼働率が低下するという不具合がある。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくいレーザ加工用ノズル及びレーザ加工装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
1) 一端側に突出して形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着可能なヘッド装着部,他端側に筒状に突出して形成されたキャップ装着部,及び前記筐体からのレーザ光の通路となる貫通孔を有するノズル本体部と、
開口孔を有し、前記キャップ装着部の先端面に当接すると共に前記先端面を覆い、前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられたノズルキャップと、を備え
前記貫通孔の内面における前記キャップ装着部に対応した部分である前記キャップ装着部の内面、及び前記ノズルキャップの前記開口孔の内面は、前記レーザ光が外部に射出される先端の開口部の内面とされているレーザ加工用ノズルである。
2) 前記ノズルキャップは、環状の周壁部及び底部を有する椀状に形成され、
前記ノズルキャップの前記底部は、前記キャップ装着部の前記先端面に当接し、
前記底部に前記開口孔が形成され、
前記キャップ装着部の外周部と前記ノズルキャップの前記周壁部の内面が対向して前記ノズルキャップが前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする1)に記載のレーザ加工用ノズルである。
3) 前記キャップ装着部は外周部に雄ねじ部を有し、
前記ノズルキャップの前記周壁部の内面には前記キャップ装着部の前記雄ねじ部に螺合可能な雌ねじ部が形成されていることを特徴とする2)に記載のレーザ加工用ノズルである。

4) 前記キャップ装着部の内径と前記ノズルキャップの前記開口孔の内径とは同じであることを特徴とする1)~3)のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルである。
) 前記ノズル本体部の材質と前記ノズルキャップの材質とが異なることを特徴とする1)~4)のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルである。
) 前記ノズル本体部の材質が銅であり、前記ノズルキャップの材質がステンレス鋼であることを特徴とする5)に記載のレーザ加工用ノズルである。
) 前記ノズルキャップが前記キャップ装着部の所定位置に装着された状態で、前記キャップ装着部の前記先端面の全範囲が前記ノズルキャップに覆われて外部から視認不能であり、前記キャップ装着部の内面が露出して外部から視認可能であることを特徴とする1)~6)のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルである。
) 1)~)のいずれか一つに記載のレーザ加工用ノズルが装着されたレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、
を備えたレーザ加工装置である。
本発明によれば、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくい、という効果が得られる。
図1は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例であるレーザ加工装置51の全体構成を示す図である。 図2は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工用ノズルであるノズル7の構成を示す断面図である。 図3は、ノズル7のノズルキャップ72を取り外した状態を示す半断面図である。 図4は、ノズルキャップ72を示す半断面図である。 図5は、ノズルキャップ72を示す平面図である。 図6は、ノズル7の変形例を示す側面図であり、(a),(b)はそれぞれ変形例1のノズル7A,変形例2のノズル7Bを示す。
(実施例)
本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を、実施例のレーザ加工装置51により説明する。
図1は、レーザ加工装置51の概略全体構成を示す図である。
レーザ加工装置51は、レーザ加工ヘッド1,レーザ発振器2,アシストガス供給装置3,及びNC装置4を含んで構成されている。
レーザ加工ヘッド1は、筒状の筐体13及び筐体13の先端部に取り付けられたレーザ加工用ノズル7を有する。レーザ加工用ノズル7は、筐体13に対し、ねじの螺合構造などによって着脱可能に取り付けられる。
筐体13の内部には、コリメーションレンズ11及び集束レンズ12が配置されている。
また、筐体13は、レーザ加工用ノズル7の先端面とワークWの表面との間の距離であるノズルギャップGPを計測するためのノズルギャップセンサ8を有する。
以下、レーザ加工用ノズル7を、単にノズル7と称する。
レーザ加工ヘッド1は、レーザ発振器2からレーザ光LSaが供給される。供給されたレーザ光LSaは、コリメーションレンズによって平行光束とされ、集束レンズ12によって所望の位置に焦点を結ぶようにノズル7から射出するレーザ光LSに加工される。
レーザ光LSは、ノズル7の先端に開口する開口部7a(図2参照)から筐体13の軸線CL13に沿って外部に射出される。
筐体13内に備えられたレンズ駆動部(不図示)によって集束レンズ12を矢印DRaで示すように軸方向に移動させると、レーザ光LSの焦点位置が調整される。
レーザ発振器2は、例えばファイバレーザによってレーザ光LSaを生成し、生成したレーザ光LSaをレーザ加工ヘッド1に供給する。
アシストガス供給装置は、例えば窒素ガスをアシストガスAGとしてレーザ加工ヘッド1に供給する。
図2に示されるように、ノズル7はこの例においてダブルノズルタイプである。
これにより、ノズル7の先端の開口部7aからは、軸線CL13上にレーザ光LSが射出し、射出するレーザ光LSを取り囲むようにアシストガスAGが噴出する。
NC装置4は、レーザ発振器2及びアシストガス供給装置3の動作を制御する。また、NC装置4は、レーザ加工ヘッド1におけるレンズ駆動部の動作を制御して集束レンズ12の光軸方向の位置を変え、射出するレーザ光LSの焦点位置を調整する。
次に、ノズル7の詳細を図2~図5を参照して説明する。
図2に示されるように、ノズル7は、ノズル本体部71,ノズルキャップ72,及びインナノズル73を有する。ノズル本体部71及びインナノズル73によってダブルノズル構造が構成されている。以下、便宜的にノズル本体部71をアウタノズル71と称する。
アウタノズル71,ノズルキャップ72,及びインナノズル73の材質は、例えば、金属とされる。材質が金属の場合の形成方法例は、金属塊から削り出す、或いは母体となる鋳造品に対し必要な部分を切削加工する、などである。
用いる金属の例は、アウタノズル71及びインナノズル73は銅であり、ノズルキャップ72はステンレス鋼である。材質の詳細は後述する。
図2及び図3に示されるように、アウタノズル71は、ノズル7の本体部として機能し、軸線CL71を中心軸として概ね筒状に形成されている。
アウタノズル71は、上方側から、突筒部71b,フランジ部71a,傾斜部71c,及びキャップ装着部71dを有し、さらに中心位置において上下に貫く貫通孔71eを有する。
フランジ部71aと傾斜部71cとを合わせた部位を基部71kと称する。
突筒部71bは、軸線CL71を中心軸とし、基部71kから一端側となる上方に円筒状に突出した部位である。突筒部71bは、外周部に雄ねじ部71b1を有する。
図2に示されるように、雄ねじ部71b1は、レーザ加工ヘッド1の筐体13に形成された雌ねじ部13aに螺着可能である。すなわち、突筒部71bは筐体13に装着可能なヘッド装着部である。
フランジ部71aの上面71a1は、アウタノズル71の軸線CL71に対し直交する面として形成されている。上面71a1は、雄ねじ部71b1が筐体13の雌ねじ部13eに対し螺進した際に、筐体13の下面13bに突き当たって密着する。
傾斜部71cは、フランジ部71aから下方に向かうに従って、外径が小さくなる方向で断面の外形線が凹(内側に凸)となるよう傾斜した外周面を有する。
傾斜部71cの下端の面は、軸線CL71に直交する平坦なキャップ対向面71c1とされている。
キャップ装着部71dは、軸線CL71を中心軸とし、基部71kから他端側となる下方に円筒状に突出した部位である。キャップ装着部71dは、外周部に雄ねじ部71d1を有する。
図2に示されるように、キャップ装着部71dの内面71d3は、ノズル7としての開口部7aの内面の大部を占め、外部に露出して視認可能である。
キャップ装着部71dの先端面である下端面71d2とフランジ部71aの上面71a1との間の距離をHaとし、下端面71d2と傾斜部71cのキャップ対向面71c1との間の距離をHbとする。
また、キャップ対向面71c1の外径を直径Daとし、キャップ装着部71dの内径を内径Dcとする。
図2及び図3に示されるように、インナノズル73は、外径がアウタノズル71の貫通孔71eの内径よりも小さい長筒状に形成されている。インナノズル73は、外周部に、周方向に所定角度間隔で離隔して径方向外側に突出する支持部(不図示)を有している。所定角度間隔は、例えば120°である。
インナノズル73は、貫通孔71e内に、支持部の先端部位が貫通孔71eの内面に強嵌合で圧入され、アウタノズル71と一体化されている。
これにより、貫通孔71eの内周面71e1とインナノズル73の外周面73aとの間には、軸線Cl71に沿って延びる概ね環状の空間Vaが形成される。空間Vaは、アシストガスAGの流路となる。
インナノズル73は、中心を貫通する貫通孔73bを有する。貫通孔73bの内部の空間Vbは、レーザ光LSの通路となる。そのため、貫通孔73bの内面73b1は、レーザ光LSの集束する光束に沿い、下方に向かうに従って径が小さくなる傾斜部73b2を有する。
図3に示されるように、インナノズル73をアウタノズル71に取り付けた状態で、インナノズル73の下端面73cの上下方向位置は、キャップ装着部71dの下端面71d2から上方に距離Hfだけ入り込んだ位置にある。
図2及び図4に示されるように、ノズルキャップ72は、軸線CL72を中心軸とする環状の周壁部72e及び底部72aを有する椀状に形成されている。
周壁部72eの内面には、アウタノズル71の雄ねじ部71d1に螺合可能な雌ねじ部72cが形成されている。
周壁部72eは、下方に向かうに従って外径が小さくなる方向で断面の外形線が凸(外側に凸)となるように傾斜した外周面を有する。
周壁部72eの上面は、軸線CL72に直交し外径が直径Dbのアウタノズル対向面72dとされている。直径Dbは、アウタノズル71におけるキャップ対向面71c1の直径Daと同じとされている。
底部72aには、内径Ddで開口する円形の開口孔72bが形成されている。開口孔72bの内径Ddは、キャップ装着部71dの内径Dcと同じとされている。
底部72aの環状の上面は、軸線CL72に直交するアウタノズル当接面72fとされている。底部72aの厚さを距離Hdとする。
アウタノズル対向面72dとアウタノズル当接面72fとの間の距離Hcは、アウタノズル71の距離Hb(図3参照)よりも僅かに小さい。
そのため、ノズルキャップ72の雌ねじ部72cを、アウタノズル71のキャップ装着部71dにおける雄ねじ部71d1に対し螺進させると、ノズルキャップ72のアウタノズル当接面72fがキャップ装着部71dの下端面71d2に当接してノズルキャップ72の上下方向の位置が所定位置として決められる。
また、キャップ装着部71dの下端面71d2は、全範囲がアウタノズル当接面72fにより覆われて外部から視認不能となる。
また、図2に示されるように、ノズルキャップ72におけるアウタノズル対向面72dと、アウタノズル71におけるキャップ対向面71c1との間である分割部Paには、必ず隙間Hgが生じる。換言するならば、図2に示されるノズルキャップ72の底部72aの下面である先端面72a1と筐体13の下面13bとの間の距離Heは、距離Ha+距離Hdとなる。
距離Ha及び距離Hdに関わる面は、すべて切削加工で形成可能である。そのため、距離Heは高精度にばらつきなく安定的に決められる。
これにより、ノズルキャップ72を交換しても、距離Heは、所望の距離として常に高精度に維持され、レーザ加工ヘッド1を備えたレーザ加工装置51で行う倣い制御を伴うレーザ加工において、常に良好な加工品質が得られる。
図5に示されるように、ノズルキャップ72は、周壁部72eの外周部に、例えば一対の平行なカット面部72g1,72g2を有する。これにより、ノズルキャップ72をアウタノズル71に螺着する場合に、レンチなどの工具などを用いてより確実に取り付けることができる。
次に、材質について詳述する。
ノズル7は、ノズルキャップ72が、アウタノズル71及びインナノズル73に対し別の部材として構成されている。そのため、ノズルキャップ72を、アウタノズル71及びインナノズル73とは異なる材質で形成できる。
一般に、鉄系金属のワークに対しレーザ光でピアスを形成する場合、溶融した鉄系金属がワークの上面に吹き上がって盛り上がる、いわゆるヒゲが生じ得る。
倣い制御でレーザ加工を行う場合、ノズルギャップを小さく(狭く)すると、ノズルの先端がヒゲと擦れ、ノズル先端部が一様にではなく偏って摩耗する。
ノズル先端部の摩耗は、倣い制御のノズルギャップとレーザ光の焦点位置との関係に影響する。また、ノズル先端部の偏った摩耗は、アシストガスAGがノズル先端部とワークWとの間から外部へ吹き出す際の周方向の流速バランスを崩すため、加工性能に影響する。
そのため、ノズル先端部の材質は、銅やアルミニウムなどよりも硬くヒゲとの擦れにおいてより摩耗しにくいステンレス鋼などを用いることが望まれる。
また、鉄系金属のワークに対するレーザ加工で飛散する鉄系金属のドロスは、ノズルの開口部の内面に衝突する。この衝突で開口部の内面に付着するドロスの量は、その内面の材質がドロスに対し異系金属の場合よりも同系金属の場合の方が多い。すなわち、開口部の内面の材質が銅やアルミニウムの場合よりもステンレス鋼の場合の方が、鉄系金属のドロスは付着し易い。
ノズルの開口部の内面にドロスが多く付着すると、開口径が狭まる、開口径が真円ではない異形となる、などして、加工性能に影響する。
そのため、ノズルの開口部の内面の材質は、ステンレス鋼ではない例えば銅などを用いることが望まれる。
以上から明らかなように、ノズルが同一材料で形成されている場合、先端部の摩耗低減と開口部内面へのドロスの付着量抑制とを同時に満たすことはできない。
これに対し、既述のように、ノズル7は、先端部を構成するノズルキャップ72と開口部内面の大部分を構成するアウタノズル71とが別部材であり異なる材質で形成可能である。
そのため、レーザ加工するワークが鉄系金属の場合、ノズルキャップ72を摩耗しにくいステンレス鋼で形成し、アウタノズル71を鉄系金属のドロスが付着しにくい銅で形成することで、先端部の摩耗低減と開口部内面へのドロスの付着量抑制を同時に満たすことができる。
もちろん、ワークが鉄系以外の金属材料の場合は、ステンレス鋼と銅という組み合わせに限定されず、最適な材質の組み合わせによってノズルキャップ72及びアウタノズル71を形成してよい。
図2及び図4に示されるように、ノズルキャップ72の開口孔72bの内面72b1は、開口部7aの内面の一部として含まれている。しかしながら、飛散するドロスの量は、加工部位から軸線CL7に沿う方向に飛散する量が多く、水平に近い内面72b1へ向かう飛散量は少ない。そのため、アウタノズル71のキャップ装着部71dの内面71d3に飛散するドロスの量に比べてノズルキャップ72の内面72b1へ向け飛散するドロスの量は無視でき、ノズルキャップ72がステンレス鋼で形成されていても、内面72b1へのドロスの付着は無視できる。
図1に示されるように、NC装置4は、ノズルギャップセンサ8からの検出信号SG1に基づいて、ノズル7におけるノズルキャップ72の先端面72a1と、ワークWの表面Waとの距離であるノズルギャップGPを求める。
NC装置4は、レーザ加工ヘッド1を昇降させる昇降部(不図示)の動作を、レーザ光LSによるレーザ加工中にノズルギャップGPが予め設定された値で維持されるように制御する。
ノズルキャップ72は、ステンレス鋼で形成されているので、鉄系金属のワークWの加工において先端面72a1はヒゲなどに擦れても摩耗しにくい。
そのため、ノズルギャップGPは、長期間高精度に維持され、良好な加工品質が得られる。
以上のように、ノズル7及びノズル7を備えたレーザ加工装置51は、ノズルキャップ72の摩耗が少なくドロスの付着量も抑制されるので、ノズルキャップ72の交換間隔が長い。これにより、レーザ加工装置51によるレーザ加工は、良好な加工品質が得られ、稼働率が低下しにくい。
本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよい。
図2に示される、アウタノズル71とノズルキャップ72との分割部Paの上下方向位置は、限定されない。実施例では、分割部Paを距離Heで示される範囲の中央付近に設定したノズル7を説明したが、図6(a)のように、分割部Paをフランジ部71aに近い位置に設定したノズル7A、或いは図6(b)のように、分割部Paを底部72aに近い位置に設定したノズル7Bにしてもよい。
アウタノズル71にノズルキャップ72を着脱自在に装着する構造は、実施例で説明したねじの螺合構造に限定されない。バヨネット構造、或いはプランジャなどを用いて所定の装着位置に引き込む構造など、周知の構造を自由に適用できる。
ノズル7は、インナノズル73を有していないシングルタイプのノズルであってもよい。この場合、アウタノズル71は、ノズル本体部71と称する。
1 レーザ加工ヘッド
11 コリメーションレンズ、 12 集束レンズ、 13 筐体
13a 雌ねじ部、 13b 下面
2 レーザ発振器
3 アシストガス供給装置
4 NC装置
51 レーザ加工装置
7,7A,7B ノズル(レーザ加工用ノズル)
7a 開口部
71 ノズル本体部(アウタノズル)
71a フランジ部、 71a1 上面、 71b 突筒部
71b1 雄ねじ部、 71c 傾斜部、 71c1 キャップ対向面
71d キャップ装着部、 71d1 雄ねじ部、 71d2 下端面
71d3 内面、 71e 貫通孔、 71e1 内周面
71k 基部
72 ノズルキャップ
72a 底部、 72a1 先端面、 72b 開口孔
72b1 内面、 72c 雌ねじ部、 72d アウタノズル対向面
72e 周壁部、 72f アウタノズル当接面
72g1,72g2 カット面部
73 インナノズル
73a 外周面、 73b 貫通孔、 73b1 内面
73b2 傾斜部、 73c 下端面
8 ノズルギャップセンサ
AG アシストガス
CL13,CL71,CL72 軸線
Da,Db 直径、 Dc,Dd 内径
GP ノズルギャップ
Ha,Hb,Hf,Hc,Hd,He 距離、 Hg 隙間
LS,LSa レーザ光
Pa 分割部
SG1 検出信号
Va,Vb 空間
W ワーク

Claims (8)

  1. 一端側に突出して形成されレーザ加工ヘッドの筐体に装着可能なヘッド装着部,他端側に筒状に突出して形成されたキャップ装着部,及び前記筐体からのレーザ光の通路となる貫通孔を有するノズル本体部と、
    開口孔を有し、前記キャップ装着部の先端面に当接すると共に前記先端面を覆い、前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられたノズルキャップと、を備え
    前記貫通孔の内面における前記キャップ装着部に対応した部分である前記キャップ装着部の内面、及び前記ノズルキャップの前記開口孔の内面は、前記レーザ光が外部に射出される先端の開口部の内面とされているレーザ加工用ノズル。
  2. 前記ノズルキャップは、環状の周壁部及び底部を有する椀状に形成され、
    前記ノズルキャップの前記底部は、前記キャップ装着部の前記先端面に当接し、
    前記底部に前記開口孔が形成され、
    前記キャップ装着部の外周部と前記ノズルキャップの前記周壁部の内面が対向して前記ノズルキャップが前記キャップ装着部に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工用ノズル。
  3. 前記キャップ装着部は外周部に雄ねじ部を有し、
    前記ノズルキャップの前記周壁部の内面には前記キャップ装着部の前記雄ねじ部に螺合可能な雌ねじ部が形成されていることを特徴とする請求項2記載のレーザ加工用ノズル。
  4. 前記キャップ装着部の内径と前記ノズルキャップの前記開口孔の内径とは同じであることを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズル。
  5. 前記ノズル本体部の材質と前記ノズルキャップの材質とが異なることを特徴とする請求項1~4のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズル。
  6. 前記ノズル本体部の材質が銅であり、前記ノズルキャップの材質がステンレス鋼であることを特徴とする請求項記載のレーザ加工用ノズル。
  7. 前記ノズルキャップが前記キャップ装着部の所定位置に装着された状態で、前記キャップ装着部の前記先端面の全範囲が前記ノズルキャップに覆われて外部から視認不能であり、前記キャップ装着部の内面が露出して外部から視認可能であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズル。
  8. 請求項1~のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズルが装着されたレーザ加工ヘッドと、
    前記レーザ加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、
    を備えたレーザ加工装置。
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