JP7467019B1 - レーザ切断ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】インナーノズルの温度上昇を抑えることができるレーザ切断ノズルを提供する。【解決手段】インナーノズルと、インナーノズルとの間で形成されたシールドガス流路からシールドガスを噴射するアウターノズルと、を有し、インナーノズルは、レーザ光とアシストガスを通す通孔が形成された本体部と、本体部の一方側の端部から所定寸法離隔した位置に形成され本体部の外径よりも大きい外径を有する嵌合部と、嵌合部を厚さ方向に貫通して形成された複数の通孔と、本体部から他方側の端部に向けて嵌合部から離隔した位置であって複数の通孔と対向する位置に形成されたフランジと、を有し、アウターノズルは、インナーノズルの嵌合部を嵌合する嵌合凹部と、インナーノズルの本体部の外径よりも大きく前記嵌合凹部の内径よりも小さい内径を有し、インナーノズルの外周面とによってシールドガス流路を形成する流路面と、を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、被切断材をレーザ切断する際に、特にインナーノズルの温度上昇を抑えることができるレーザ切断ノズルに関するものである。

レーザ切断ノズルから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に該レーザ光に添えてアシストガスを噴射し、更にレーザ光とアシストガスを包むようにシールドガスを噴射して切断するレーザ切断法が採用されている。

例えば特許文献１に記載されたレーザ切断ノズルは、インナーノズルをアウターノズルに嵌装して構成されている。そして、被切断材が鋼板の場合、インナーノズルの中心に形成された噴射孔からレーザ光を照射すると共に、酸素ガスからなるアシストガスを噴射し、更にインナーノズルとアウターノズルの間に形成された噴射口から酸素純度を適正に調整したシールドガスを噴射している。特に、シールドガスは、アウターノズルの内面側であって軸心に沿って形成された複数の孔を通って前記噴射口から噴射される。

特開２０１９－０９３４３８号公報

被切断材を切断する際には、パルス発振又は連続発振（ＣＷ）のビーム制御が利用される。これらのパルス発振または連続発振（ＣＷ）は、一台のレーザ発振装置を制御することで発振しており、同一のレーザ切断ノズルを利用している。そして、被切断材の板厚や切断用途に応じて、連続発振とパルス発振を使い分けている。また、被切断材の厚さに対応させてレーザ光を集光するレンズの被切断材からの距離（高さ）を調整することで、被切断材に対する焦点位置を設定している。さらに、焦点位置の設定は集光レンズの上部に位置するコリメータレンズで行う場合もある。

ＣＷ切断を行う場合は、鋼板表面に照射するビーム径をパルス切断よりも太くするため、レーザ光がインナーノズルの噴射孔に干渉して加熱され、インナーノズルの温度が上昇してしまい、インナーノズルに付随する部品の不良や故障を招いたり、切断性能に悪影響を及ぼすという問題が生じている。

本発明の目的は、インナーノズルの温度上昇を抑えることができるレーザ切断ノズルを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る代表的なレーザ切断ノズルは、被切断材に向けてレーザ光とアシストガスを噴射するインナーノズルと、前記インナーノズルを嵌装して該インナーノズルとの間に形成されたシールドガス流路から被切断材に向けてシールドガスを噴射するアウターノズルと、を有して構成され、前記インナーノズルは、中心にレーザ光とアシストガスを通す通孔が形成された本体部と、前記本体部の一方側の端部から所定寸法離隔した位置に形成され前記本体部の外径よりも大きい外径を有する嵌合部と、前記嵌合部を厚さ方向に貫通して形成された複数の通孔と、前記本体部から他方側の端部に向けて前記嵌合部から離隔した位置であって複数の通孔と対向する位置に形成されたフランジと、を有して構成され、前記アウターノズルは、前記インナーノズルに形成された嵌合部を嵌合する嵌合凹部と、前記インナーノズルの本体部の外径よりも大きく前記嵌合凹部の内径よりも小さい内径を有し、前記インナーノズルを嵌装したとき該インナーノズルの外周面とによってシールドガス流路を形成する流路面と、を有して構成されているものである。

本発明に係るレーザ切断ノズルでは、インナーノズルの本体部の外周に、複数の通孔を形成した嵌合部を有する。このため、インナーノズルをアウターノズルに嵌装してシールドガスを供給したとき、供給されたシールドガスは嵌合部の通孔を通ってインナーノズルとアウターノズルの間に形成されたシールドガス流路から被切断材に向けて噴射される。従って、シールドガスがインナーノズルの嵌合部を貫通して流れる過程で直接冷却することができる。

また、インナーノズルの嵌合部に形成された通孔と対向してフランジが形成されているので、このフランジが熱交換機能を発揮することができる。このため、通孔を通過したシールドガスが直接フランジに衝突することで、インナーノズルを冷却することができる。

嵌合部に形成された通孔を通過したシールドガスが切断ノズルから噴射する際に、通孔の延長線部分から噴射するシールドガスと、それ以外の部分から噴射するシールドガスに噴射圧の変動があることは好ましくない。しかし、通孔を通過したシールドガスが該通孔と対向して形成されたフランジに衝突することで噴射圧を平均化することができる。

第１実施例に係るレーザ切断ノズルをレーザ切断トーチに取り付けた状態を説明する図である。 第１実施例に係るインナーノズルの構成を説明する外面図である。 第１実施例に係るインナーノズルの構成を説明する断面図である。 アウターノズルの構成を説明する外面図である。 アウターノズルの構成を説明する断面図である。 特許文献１に記載した切断ノズルと第１実施例に係る切断ノズルの上昇温度を比較した図である。 第２実施例に係るインナーノズルの構成を説明する外面図である。 第３実施例に係るインナーノズルの構成を説明する断面図である。 第４実施例に係るインナーノズルの構成を説明する断面図である。 第５実施例に係るインナーノズルの構成を説明する断面図である。

本発明に係るレーザ切断ノズル（以下「切断ノズル」という）は、鋼板に代表される被切断材にレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し、更にレーザ光とアシストガスを包み込むようにシールドガスを噴射して切断するものである。特に、被切断材を切断する際に、レーザ光が噴射孔に干渉することによるインナーノズルの温度上昇を軽減させるようにしたものである。

尚、後述する第１実施例及び第２実施例～第５実施例に係るレーザ切断ノズルは夫々共通のアウターノズルを利用しており、インナーノズルの形状、構造が異なっている。そして、何れも共通のレーザトーチに利用されるものである。

第１実施例に係る切断ノズルＡはインナーノズル１０とアウターノズル２０とを有しており、インナーノズル１０をアウターノズル２０に嵌装することで構成されている。また、切断ノズルＡはトーチＢに取り付けられることで、図示しない被切断材を切断し得るように構成されている。

インナーノズル１０の本体部１１には、軸方向の中心にレーザ光とアシストガスの流路１２が形成されており、この流路１２の先端に噴射孔１２ａが形成されている。また、本体部１１の一方の端部であって、噴射孔１２ａが形成された反対側の端部１１ａには、トーチＢ（トーチＢに取り付けた絶縁体３７）に取り付けるためのねじ１３が形成されている。

本体部１１の外周であって、端部１１ａに形成されたねじ１３から離隔した位置に、アウターノズル２０の嵌合凹部２１と嵌合する嵌合部１４が形成されている。この嵌合部１４の本体部１１の端部１１ａ側にはねじ１４ａが形成されており、該ねじ部１４ａに連続してボス部１４ｂが形成されている。

嵌合部１４には厚さ方向、即ち本体部１１の中心軸と平行な方向に貫通して複数の通孔１５が形成されている。この通孔１５はシールドガスを流通させるためのものであり、切断ノズルＡに供給されたシールドガスの全量が通孔１５を通過する。このため、シールドガスが通孔１５を通過する過程でインナーノズル１０を直接冷却することが可能となり、冷却効率の向上をはかることが可能となる。

嵌合部１４のボス部１４ｂから離隔した位置にフランジ１６が形成されている。このフランジ１６は嵌合部１４に形成された通孔１５と対向して形成されている。

フランジ１６は広い表面積を有する羽状に形成されており、インナーノズル１０とシールドガスとの熱交換を行うことが可能である。このため、外部から供給された冷たいシールドガスが衝突することでインナーノズル１０を効率的に冷却することが可能となる。

上記の如く、フランジ１６には通孔１５を通過したシールドガスが衝突する。この衝突により通孔１５を通過したシールドガスの流れに乱れが生じ、フランジ１６よりも下流側のシールドガスの流れの均一化をはかることが可能である。

本体部１１は、フランジ１６から他方側の端部１１ｂに向かって小さい角度で形成されたテーパ部１７ａ、ストレート部１７ｂ、テーパ部１７ａよりも大きい角度で形成されたテーパ部１７ｃが順に形成されている。特に、テーパ部１７ｃは、シールドガスが切断ノズルＡから被切断材に向けて噴射される際の噴射角度を規定するものであるため、噴射されたシールドガスが被切断材の切溝に効率良く導入されるような角度に設定されている。

ねじ１３と嵌合部１４の間に６角形状に面取りされた面取り部１８が形成されており、インナーノズル１０をアウターノズル２０に嵌挿して一体化させる際にスパナ掛けとして用いることが可能である。

アウターノズル２０はインナーノズル１０を嵌装して該インナーノズル１０の嵌合部１４からテーパ部１７ｃとの間にシールドガス流路３０を構成するものである。このため、アウターノズル２０の端部２０ａの内面に嵌合凹部２１が形成されている。この嵌合凹部２１の端部２０ａ側には、インナーノズル１０に形成されたねじ１４ａと螺合するねじ２１ａが形成されている。

また、アウターノズル２０の端部２０ｂ側の内面はインナーノズル１０のテーパ部１７ｃの角度と対応した角度を有するテーパ部２２が形成され、該テーパ部２２の先端に開口２２ａが形成されている。そして、アウターノズル２０にインナーノズル１０を嵌挿したとき、該インナーノズル１０のテーパ部１７ｃとによってリング状のシールドガスの噴射口３０ａが構成される。

アウターノズル２０の外周面には、端部２０ａ側にＯリング溝２３が形成されており、該Ｏリング溝２３にＯリング２３ａを装着してトーチＢに取り付けることで、気密を保持し得るように構成されている。

また、Ｏリング溝２３よりも端部２０ｂ側は６角形状の面取り部２４が形成されており、切断ノズルＡをトーチＢに取り付ける際のスパナ掛けとして利用し得るように構成されている。

上記の如く構成されたインナーノズル１０をアウターノズル２０に差込んで、ねじ１４ａをねじ２１ａに締結することで切断ノズルＡを構成することが可能である。

トーチＢの端部側には高さ倣いセンサ３５が配置されており、該高さ倣いセンサ３５に対し、袋ナット状のノズルヘッドホルダー３６によって絶縁体３７が取り付けられている。特に、絶縁体３７にはシールドガスの流路３０に接続される通孔３７ａが複数形成されている。

上記の如く構成されたトーチＢに対し、切断ノズルＡを取り付ける際の手順について説明する。先ず、インナーノズル１０をアウターノズル２０に嵌装し、面取り部１８にスパナを掛けて締結することで組み立てて切断ノズルＡを構成しておく。次いで、切断ノズルＡをノズルヘッドホルダー３６に差込んでアウターノズル２０の面取り部２４にスパナを掛けて締結することで、切断ノズルＡをトーチＢに取り付けることが可能である。

次に、上記の如く構成した切断ノズルＡと、特許文献１に記載した従来の切断ノズルと、を用いてインナーノズルの温度上昇を測定する実験を行った。

この実験は、両切断ノズル共にレンズ位置を８ｍｍ～１２ｍｍの間で１ｍｍ毎に変化させ、出力を１２ｋＷ、照射時間を６０秒、アシストガスを０．０６５ＭＰａ、シールドガス流量を１００Ｌ／ｍｉｎでレーザビームを照射し、１回毎に、インナーノズルの先端に熱電対を接触させて温度を測定した。その結果を図６に示す。

図に明らかなように、従来の切断ノズルに於ける上昇温度と、切断ノズルＡの上昇温度では、切断ノズルＡが略２０℃程度温度上昇を抑えることが可能である。

前述したように、本実施例に係るインナーノズル１０は、本体部１１に該本体部１１の径よりも径の大きい嵌合部１４が形成されている。このため、特許文献１に記載された切断ノズルのインナーノズルと比較して太い材料を必要とし、材料費が上昇するという問題がある。しかし、図６に示すように、温度上昇を軽減することが可能となり、寿命の向上、切断面の品質の安定化などの点を考慮すると十分な効果を発揮することが可能である。

次にインナーノズルの第２実施例について図７により説明する。尚、図に於いて前述の第１実施例と同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付して説明を省略する（以下同じ）。

前述した第１実施例に係るインナーノズル１０では、アウターノズル２０に嵌装して一体化する際に、面取り部１８にスパナを掛けて回転させるようにしている。しかし、面取り部１８の厚さ方向の寸法が小さいため、作業がし難いという問題があった。第２実施例に係るインナーノズル１０は、この問題を解決するために開発したものである。

第２実施例に係るインナーノズル１０では、ねじ１３と嵌合部１４の間に形成された面取り部１８に代えて、端部１１ａ側に直径方向に貫通した切欠４２が形成されている。この切欠４２にはコインやドライバを差し込むことが可能であり、差し込んだコイン或いはドライバを操作することで、インナーノズル１０をアウターノズル２０に嵌挿して容易に締結し得るように構成されている。

次にインナーノズル１０の第３実施例について図８により説明する。インナーノズル１０の本体部１１に形成されたフランジ１６よりもシールドガスの流通方向下流側、即ち、ストレート部１７ｂには長手方向に沿って複数のスリット４１が形成されている。このため、ストレート部１７ｂの表面積を大きくすることが可能となり、シールドガス流路３０を流通するシールドガスとの間の熱交換効率を向上させることが可能である。

従って、シールドガスによるインナーノズル１０の冷却を促進して温度の上昇を抑えることが可能となる。尚、スリット４１の条数や幅、深さなどの数値は特に限定するものではなく、ストレート部１７ｂの外径や長さに対応させて適宜設定することが好ましい。

次にインナーノズル１０の第４実施例について図９により説明する。インナーノズル１０の本体部１１に形成されたストレート部１７ｂには、周面に螺旋状の溝が形成されている。特に、本実施例ではねじ４３からなる螺旋状の溝が形成されており、このねじ４３を形成することによって、ストレート部１７ｂの表面積を大きくしている。そして、前述の第３実施例と同様に、シールドガス流路３０を流通するシールドガスとの間の熱交換効率を向上させることが可能である。

従って、シールドガスによるインナーノズル１０の冷却を促進して温度の上昇を抑えることが可能となる。尚、ねじ４３のピッチは限定するものではなく、ストレート部１７ｂの外径や長さに対応させて適宜設定することが好ましい。

また、ストレート部１７ｂの周方向に形成する溝は必ずしもねじである必要はなく、周面に互いに独立した溝を複数形成しても良い。

次にインナーノズル１０の第５実施例について図１０により説明する。インナーノズル１０の本体部１１に形成されたストレート部１７ｂには、外周面に於けるシールドガスの流通方向に沿って複数のスリット４６が形成されたスリット部材４５が配置されている。

スリット部材４５は外径がアウターノズル２０の内径よりも僅かに小さい寸法を有しており、インナーノズル１０をアウターノズル２０に嵌装する際の作業に支障をきたすことがないように構成されている。また、スリット４６は切断ノズルが必要とするシールドガスの流量を満足することが可能な数と、幅寸法及び深さ寸法を有している。

スリット部材４５をストレート部１７ｂに取り付ける構造は特に限定するものではない。例えば本実施例では、ストレート部１７ｂに形成されたねじ４３に螺合することで配置されている。また、例えば、スリット部材４５をストレート部１７ｂに挿通して止め輪によって取り付けて配置することも可能である。更に、インナーノズル１０を製作する際に、一体的に形成することで配置することも可能である。

上記の如く、スリット部材４５をストレート部１７ｂに配置することで、インナーノズル１０の熱容量を増加させることが可能であり、インナーノズル１０自体の温度上昇を低下させることが可能となる。更に、シールドガスによるインナーノズル１０の冷却を促進して温度の上昇を抑えることが可能となる。

本発明に係るレーザ切断ノズルは、インナーノズルの温度上昇を抑えることができるため、レーザ切断ノズルの寿命を延ばすことが可能であり、鋼板を切断する際に利用して有利である。

Ａ 切断ノズル
Ｂ トーチ
１０ インナーノズル
１１ 本体部
１１ａ、１１ｂ、２０ａ、２０ｂ 端部
１２ 流路
１２ａ 噴射孔
１３、１４ａ、２１ａ ねじ
１４ 嵌合部
１４ｂ ボス部
１５ 通孔
１６ フランジ
１７ａ、１７ｃ、２２ テーパ部
１７ｂ ストレート部
１８ 面取り部
２０ アウターノズル
２１ 嵌合凹部
２２ａ 開口
２３ Ｏリング溝
２３ａ Ｏリング
２４ 面取り部
３０ シールドガス流路
３０ａ 噴射口
３５ 高さ倣いセンサ
３６ ノズルヘッドホルダー
３７ 絶縁体
３７ａ 通孔
４１、４６ スリット
４２ 切欠
４３ ねじ
４５ スリット部材

Claims (5)

1. 被切断材に向けてレーザ光とアシストガスを噴射するインナーノズルと、前記インナーノズルを嵌装して該インナーノズルとの間に形成されたシールドガス流路から被切断材に向けてシールドガスを噴射するアウターノズルと、を有して構成され、
   前記インナーノズルは、
   中心にレーザ光とアシストガスを通す通孔が形成された本体部と、
   前記本体部の一方側の端部から所定寸法離隔した位置に形成され前記本体部の外径よりも大きい外径を有する嵌合部と、
   前記嵌合部を厚さ方向に貫通して形成された複数の通孔と、
   前記本体部から他方側の端部に向けて前記嵌合部から離隔した位置であって複数の通孔と対向する位置に形成されたフランジと、を有して構成され、
   前記アウターノズルは、
   前記インナーノズルに形成された嵌合部を嵌合する嵌合凹部と、
   前記インナーノズルの本体部の外径よりも大きく前記嵌合凹部の内径よりも小さい内径を有し、前記インナーノズルを嵌装したとき該インナーノズルの外周面とによってシールドガス流路を形成する流路面と、を有して構成されていることを特徴としたレーザ切断ノズル。
2. 前記本体部の該本体部に形成された前記フランジよりもシールドガスの流通方向下流側には、長手方向に沿って複数のスリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断ノズル。
3. 前記本体部の該本体部に形成された前記フランジよりもシールドガスの流通方向下流側には、周面に沿って複数の溝又は螺旋状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断ノズル。
4. 前記本体部の該本体部に形成された前記フランジよりもシールドガスの流通方向下流側には、外周面に複数のスリットが形成されたスリット部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断ノズル。
5. 前記インナーノズルから被切断材に向けて照射されるレーザ光は連続発振レーザ光であることを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断ノズル。

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