JPH01503612A

JPH01503612A - レーザにより、持続されたプラズマトーチ及び該トーチの使用方法

Info

Publication number: JPH01503612A
Application number: JP62504165A
Authority: JP
Inventors: キーファー，デニス・アール
Original assignee: ユニバーシティ・オブ・テネシー・リサーチ・コーポレーション
Priority date: 1986-06-23
Filing date: 1987-06-22
Publication date: 1989-12-07
Also published as: EP0325583A1; WO1987007862A1; KR880701151A; EP0325583A4

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】レーザにより、持続されたプラズマトーチ及び該トーチの使用方法本発明は、工業分野における高出力レーザの使用に関し、特に、レーザにより持続されたプラズマトーチ及び該トーチを使用する方法に関する。

背景技術及び産業上の利用可能性レーザは、工業用材料の加工、特に金属、非金属の切断、穿孔、金属の溶接、金属の熱処理及び金属の表面合金化の分野において、相当な利用分野を開拓している。

これら用途の多くの場合、高出力、高効率及び工業的環境下における優れＩ；信頼性がおることを理由として炭酸ガスレーザが選択されている。このレーザは、スペクトルの遠赤外線部分においてＩＯ，６Ｊｌ＋ｍの波長にて作動する。

かかる長い波長の場合、多くの材料は反射率が極めて大きくなり、その結果、エネルギの結合効率は低下する。

このため、寸法及び出力がより大きいレーザを使用することが必要とされ、その結果、レーザシステムのコストが増大し、銅及び黄銅といった商業上重要な材料を加工するために、これらレーザーを使用することが実際上不可能となる。

さらに、材料の切断剤、穿孔及び溶接にレーザを使用する場合、レーザの加工点にプラズマが形成されるため別の問題が生ずる。レーザ光路内におけるプラズマは、レーザエネルギーの効率のよいな吸収体となるため、レーザエネルギーの相当部分が加工点に直接当たるのを妨害し、そのため、プラズマにより吸収されたエネルギーは、望ましくない状態にて加工物の広い部分に伝達されることになる。一般に、特定の工程に合わせた複雑な制御システムを使用して、プラズマの形成を制御し、レーザエネルギーが加工物に適正に作用するようにすることが必要である。

従って、工業分野用としてレーザエネルギーをより効果的かつ多機能的に利用するための装置及び方法が必要とされている。

茜ｑｏυ１不一本発明の１実施例によると、レーザにより持続されたプラズマトーチを発生させる装置が提供される。この装置はレーザ放射光を放出するレーザと、および加圧ガス源とを備えている。プラズマトーチノズルは、出口を備えており、ガス源から受け取ったガス流を出口方向に向けるための構造体が設けられている。レンズがレーザ放射光を少なくとも１部分ノズル内であるノズル焦点領域に集光し、プラズマが持続され、また出口方向に流動するガスによって少なくとも１部分、ノズル内に封じ込められる。

本発明の方法の１形態によると、集光されｔ；レーザ放射光は、出口を有するノズル内に向けられ、レーザ放射光の焦点領域が少なくとも１部分がノズル内にある。加圧ガスがノズル内に導入されて、ガスを出口方向に流動させる。プラズマがノズル内にて励起され、レーザ放射光の焦点領域内に持続され、該プラズマの少なくとも１部分は、出口方向に流動するようにされたガス流によりノズル内に封じ込められる。この方法は、作業を実行する加工媒体としてプラズマを利用する段階をさらに備え本発明は、添付図面を参照しながら好適な実施例に関する以下の詳細な説明を読むことによって良く理解することができる。

第１図は本発明の１実施例を具現化するレーザ持続プラズマトーチを提供する装置の１部断面図とした幾分線図的な斜視図；ｖｇ２図は鋼板を切断する状態を示す第１図のトーチの部分断面図：第３図は第２図の線３−３に沿った部分断面図である。

本発明の最良の実施形態同様の参照符号が同様、又は対応する部品を示す図面を参照すると、本発明の１形態を具現化する装置が第１図に図示されている。レーザ持続プラズマトーチを発生させる装置ｌＯは、レーザ放射光ビーム１４を集光レンズ１６に伝達するレーザ１２を備えており、この集光レンズ１６は、他の集光系を採用することも可能であるが、図示するように平凸形レンズとすることが望ましい。レーザ１２は、レーザビームの逆制動放射吸収（Ｉｓマｅｒｓｅｂｒｔｍｓｓｔｒａｂ１ｗＢ　＊ｂｔｏｒｐｔｉｏｍ）によりプラズマを持続し得るように集光されたとき、十分な出力を提供する様々な種類の連続波レーザの内任意のものとする。例えば、１０．６＃ｍの波長にて作動する１、ＳＫＷの炭酸ガスレーザが適したレーザ１２である。

図示するように、レーザ放射光は、集光レンズ１６により焦点領域１７に集光され、レンズ１６は、図示するように頂部から底部にかけて若干テーパを付けることが望ましい切頭円錐形のスロート部２０を有する支持ハウジング１８内に取り付けられている。このレンズ１６は、スロート部２０の上端に隣接するくぼんだ雄ねじリング２２により密封状態に固着されており、スロート部２０内への上部開口部を閉じている。スロート２０の下端は、集光レンズ１６と同様に、雄ねじリング２５により／１ウジングに固着されることが望ましいノズル２４内に開口している。ノズル２４は、図示した方向に頂部から底部にかけてテーパが付けられており、その下端には出口２６が形成されている。ノズル２４は、プラズマにより発生された極めて高温の熱に対する抵抗性を備えるものでなければならない。ノズルは、化学蒸着法により形成されたセラミック材料又はタングステン又はレニウムのような耐火性金属にて形成することが望ましいが、特定の用途いかんにより、トーチ内には種々の材料及び形状の各種のノズルを使用することができる。

集光レンズ１６、ハウジング１８、及びノズル２４は、集合的に密閉領域２８を形成し、集光されたレーザー放射光がこの密閉領域２８内に向けられる。これら集光レンズ１６、ハウジング１８及びノズル２４は、レーザ放射光の焦点領域１７が少なくとも１部分、該密閉領域内にあり、望ましくはノズル２４により画成された容積内に完全にあるように適正に寸法法めし、かつ形状を決める。

さらに第１図を参照すると、ハウジング１８には、加圧ガスを密閉領域２Ｂ内に導入し、ノズル２４の出口２６の方向に流動させるｔ；めの手段が設けられている。この加圧ガスは、導入されて、流れ場を提供すると共に、内部の形状及び出口２６の寸法と圧力的に釣り合わされ、ノズル２４内のレーザ放射光の焦点領域１７に少なくとも１部分プラズマを封じ込め、かつ持続させる。第１図に図示しｔ；実施例の場合、圧力ガスは供給源（図示せず）から供給ライン及び調整弁３０に供給され、該調整弁３０が選択された圧力にてガスをハウジング１８に供給する。ハウジング１８には、密閉領域２８内にガスを導入するための通路が設けられている。環状の排出口３２を使用して、ガスを排出することが望ましいが、この環状の排出口３２はレーザ放射光ビーム１４の光軸と同軸状に位置決めする。環状の絞り構造体３４を使用して、該絞り構造体３４より上流側の環状開口部３２内に均一な高圧が形成されるようにし、かつ密閉領域２８内へのガスの流量が均一であるようにすると有利である。特に、装置１０が作動中、ノズル２４の出口２６からはソニック流が形成されるのに十分なガス流量とし、加工物が装置１０内に近接していることに起因する圧力妨害からノズル２４内のプラズマを隔離するようにすることが望ましい。

密閉領域２８内に導入されたガスは、レーザビーム１４と協働して、プラズマ３７を焦点領域１７内に持続させる。プラズマ３７がノズル２４内に形成されたとき、プラズマ３７は、制御されなかったならば、レーザビーム１４の焦点から離れてレーザ１２の方向に移動する可能性がある。ガスの流れは、ノズル２４の形状と協働してこのプラズマの移動を停止させ、プラズマの１部を強制して出口２６を通るようにして、トーチ又はジェットが形成されるようにする。加工物と化学的に反応せず、又極端に大きいレーザエネルギを発生することなく、プラズマを発生させるアルゴンまたはヘリウムのようなイナートガスを使用することが望ましい。

第１図の実施例に図示するように第２の供給ライン３６が設けられており、追加的なガスを導入し、密閉領域２８内における流れ場をさらに制御すると共に、望むならば、この追加的なガスと共に、第２の材料を密閉領域２８内に導入することができる。装置１０内に導入される第２の材料は、微粒子又はガス状材料とし、レーザ持続プラズマ内にて加工し、その材料の化学的又は物理的性質を変え、加工後又は加工物への付着後、トーチから集めることとする。図示するように供給ライン３６はレーザ放射光のビーム１４と略同軸状であり、ビーム１４に対して略垂直な面内にある環状開口部３８に接続している。この環状開口部３．８には、密閉領域２８内への流量を均一にする環状絞り４０が設けられてｌ、％る。

第２の材料を導入する場合、密閉領域２８及び開口部３２．３８の形状は、第２の材料がプラズマ３７内にて十分な滞留時間を実現し得るものとする。

用途によっては、流れに対して渦巻き又はら旋状の特性を付与し、希望する滞留時間が達成し得るようにすることが望ましい。第３図に断面図で図示するように、ら旋状のガス流を得るためには、羽根４６又は同様の構造体を環状絞り４０内に使用してガスをら旋状の流路に沿って導くことができる。同様に、羽根４６のような羽根を環状開口部３２内に使用して希望するガス流の特性が実現されるようにすることができる。

作用について説明すると、供給ライン及び調整弁を通じて、及び排出開口部３２を通じて密閉領域２８内にガス流が形成される。レーザ放射光ビーム１４は、レーザ１２によって、集光レンズ１６に伝送され、ここで焦点領域１７内に集光される。プラズマ３７を生起させるためには、熱電子放出により電子を遊離させるのに十分な程度、レーザにより加熱された焦点領域１７内に固体形材料を位置決めするなどして、プラズマ形成が開始される状態をノズル内に形成することが必要である。適当な材料は、ノズル２６から挿入されたタングステンロンドである。プラズマは、レーザビームの逆制動放射吸収により持続されると共に、密閉領域２８内における圧力及びガス流界が、プラズマを出口２６に隣接するノズル２４内に封じ込める作用をする。

望むならば、第２の供給ライン３６及び環状開口部３８を通じてガスの流動を開始させて希望のプラズマ特性を実現するか、又は加工すべき第２の材料を密閉領域２８内に導入する。

装置１０により発生されｔ；プラズマは、ガス流によって密閉領域２８内に封じ込められ、かつ持続されるため、プラズマは加工物に近接する必要がなく、又、装置１０の作動又はプラズマ特性に影響を与えることなく、任意の位置又は方向に動かすことができる。さらに、ノズル２４からソニック流が形成される実施例において、封じ込められたプラズマは、ノズル２４の出口２６が加工物に近接していることに起因して発生される圧力妨害から略隔離されている。

第２図に図示するように、プラズマの小ジェットがノズル２４から放出され、鋼販４２に当たり、切断部４４を形成する。切断作業における作用媒体であるプラズマ３７は、レーザ放射光により焦点領域に形成され、ノズル２４から外方に放射される。炭酸ガスレーザを使用する図示した実施例において、赤外線レーザ放射光は、プラズマ内のより短い波長の熱放射光に変換され、この熱放射光は、はとんどの金属とより効果的に結合する。プラズマにてイオン化され！；酸成分、加工物の表面にて再結合することに起因して、ユ不ルギの伝達量が増大する。

さらに、装置１０は、高速、高温のジェットを形成し、これは、レーザ切断作業におけるドルスを除去する上で非常に有用である。

第２の材料の加工等をする作業の場合、密閉領域２８内のプラズマを作用媒体として利用し、又ノズル２４は、材料が装置内にて加工され、又は加工物に使用されている間に、希望する通りに材料を放出するのに適した形状とする。

本発明の好適な実施例について上記詳細な説明に記載したが、本発明をこの実施例にのみ限定することを意図するものではなく、又本発明は、請求の範囲に記載しｔ；本発明の精神から逸脱することなく幾多の変形例が可能であることが理解されよう。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）昭和６３年１２月２３日特許庁長官　吉　１）文　毅　殿　睡１、特許１ｌｌｉＩｉの表示ＰＣＴ／ＵＳ８７１０１５０４２、発明の名称レーザ今により、持続されたプラズマトーチ及び該トーチの使用方法３６特許出願人住　所　アメリカ合衆国テネシー州３７９９６−０３４４゜名　称　ユニバーシティ・オブ・テネシー・リサーチ・コーポレーション４、代理人住　所　東京都千代田区大手町二丁目２番１号新大手町ビル　２０６区（１）　補正書の翻訳文　１通請求の範囲１．レーザ放射光を発生させるレーザと、加圧ガス源と、前記ガス源からガスを受け取るプラズマトーチノズル手段であって、前記ガス流を該ノズル手段の内部領域に導入する前記プラズマトーチノズル手段と、前記内部領域に隣接して前記ノズル手段に形成された出口手段であって、前記ガス流が向けられかつ内部を流動する前記出口手段と、少なくとも１部分、前記ノズル手段内部にある前記ノズル手段の領域に、レーザ放射光を向ける手段と、少なくとも１部分、前記ノズル手段内部に形成され、かつ少なくとも１部分、前記レーザ放射光内にあると共に、前記レーザに向けて移動する傾向のプラズマであって、前記ノズル手段に近接して配設されると共に、少なくとも１部分、前記ノズルにより封じ込められｔ；前記プラズマと、を備え、前記出口手段が、前記ノズル手段にスロート部として形成され、前記出口手段を通過するときのガスを加速すると共に、前記ノズル手段から前記プラズマの１部分を加速し、かつ放射し、前記プラズマジェットを形成する形状を備え、前記ノズル手段内の前記ガス流及び前記レーザ放射光が、ガス流と共に、レーザに向かうプラズマの移動傾向に対抗する一方、平衡状態を設定し、前記プラズマが少なくとも１部分前記ノズル内に維持されるように、配設され、かつ方向状めされることを特徴とする、材料加工用にレーザにより持続されたプラスマトーチ。

２、前記レーザ放射光を向ける手段が、前記放射光を前記出口手段に向けてかつ該出口手段内に導入することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。

３、前記プラズマトーチノズル手段が、集光されたレーザ放射光と略同軸状の、テーバを付けｌ；内壁を有して内方向に傾斜し、切頭円錐形を形成するノズルを備え、前記出口手段が、該切頭円錐形の頂点に配設されて、ガス流を出口手段の方向に向け、プラズマの１部分を前記ノズル手段内に封じ込めるようにしたことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の装置。

４、前記ノズル手段が、耐火性材料にて形成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。

５、前記出口手段及びガス流が、少なくとも音速を有する前記プラズマジェットを形成し、かつ前記内部領域から外方向に向ける作用可能であるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。

６、前記内部領域内に第２の材料を導入する手段をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。

７、前記内部領域内にて前記ガス流に対してら旋状又は渦巻き状の流れを付与し、前記内部領域内における前記第２の材料の滞留時間を延長させる手段をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。

８、前記レーザが炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。

９、レーザからのレーザ放射光と、及び該放射光を焦点領域に集光する手段とを利用して、材料加工作業を実行する方法において、レーザ放射光をプラズマトーチノズル手段の出ロヲ有する内部領域内に導入する段階と、少なくとも１部分、前記プラズマトーチノズル手段内における焦点領域内にレーザ放射光を集光する段階と、前記プラズマトーチノズル手段の前記内部領域内に加圧ガスを導入し、前記ガスを前記出口方向に流動させる段階と、前記封じ込め手段内にてプラズマを生起させる段階と、前記プラズマを前記レーザ放射光の焦点領域Ｉ：持続し、かつ前記ガス流を前記出口方向に流動させることにより、前記プラズマを少なくとも１部分前記プラズトーチノズル手段内に封じ込める段階と、出口を通るプラズマを加速し、前記トーチノズル手段から伸長するプラズマジェットを形成する段階と、前記プラズマを昨月媒体として使用し、作業を行う段階と、を備えるように改良したことを特徴とする方法。

１０、前記プラズマジェットを前記出口から加工物に向けて外方向に向ける段階と、前記ジェットを使用して該加工物に対する作業を実行する段階とをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。

１１、第２の材料を前記ガス流中に導入する段階と、前記プラズマを利用して前記材料を加工する段階とをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。

１２、前記プラズマにより加工した後、前記第２の材料を加工物の方向に向ける段階をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の方法。

１３６前記ガスをら旋状又は渦巻き状の流れにて導入し、前記プラズマ内における前記第２の材料の滞留時間を増加させることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の方法。

国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．レーザ放射光を発生させるレーザと、加圧ガス源と、前記ガス源からガスを受け取るプラズマトーチノズル手段であって、前記ガス流を該ノズル手段の内部領域に向ける前記プラズマトーチノズル手段と、前記内部領域に隣接して前記ノズル手段に形成された出口であって、前記ガス流が向けられる前記出口と、少なくとも１部分、前記ノズル手段内部にある前記ノズル手段の焦点領域に、レーザ照射光を焦点決めする集光手段と、を備え、前記焦点領域内の前記レーザ照射光及びガス流が、前記ノズル手段の前記内部領域内に少なくとも１部分封じ込められたプラズマを持続する作用可能であるようにしたことを特徴とするレーザにより持続されたプラズマトーチ。
２．前記集光手段が、前記放射光を完全に前記プラズマトーチノズル手段内部にある焦点領域に集光することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
３．前記プラズマトーチノズル手段が、前記出口を提供すると共に、集光されたレーザ放射光と略同軸状の、テーパを付けた内壁を有するノズルを備え、ガス流を前記出口方向に向け、少なくとも１部分該ノズル内にプラズマを封じ込めるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
４．前記ノズルが、耐火性材料にて形成されることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の装置。
５．前記出口が、プラズマジェットを前記内部領域から外方向に向け得るようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
６．前記内部領域内に第２の材料を導入する手段をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
７．前記内部領域内にて前記ガス流に対してら旋状又は渦巻き状の流れを付与し、前記内部領域内における前記第２の材料の滞留時間を延長させる手段をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の装置。
８．前記レーザが炭酸ガスレーザであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の装置。
９．高出力のレーザ放射光と、及び該放射光を焦点領域に集光する手段とを使用して、作業を実行する方法において、レーザ放射光をプラズマトーチノズル手段の出口を有する内部領域内に導入する段階と、少なくとも１部分、前記プラズマトーチノズル手段内における焦点領域内にレーザ放射光を集光する段階と、前記プラズマトーチノズル手段の前記内部領域内に加圧ガスを導入し、前記ガスを前記出口方向に流動させる段階と、前記封じ込め手段内にてプラズマを生起させる段階と、前記プラズマを前記レーザ放射光の焦点領域に持続させ、かつ前記ガス流を前記出口方向に流動させることにより、前記プラズマを少なくとも１部分前記プラズトーチノズル手段内に封じ込める段階と、前記プラズマを作用媒体として使用し、作業を行う段階と、を備えるように改良したことを特徴とする方法。
１０．前記プラズマジェットを前記出口から加工物に向けて外方向に向ける段階と、前記ジェットを使用して該加工物に対する作業を実施する段階とをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
１１．第２の材料を前記ガス流中に導入する段階と、前記プラズマを利用して前記材料を加工する段階とをさらに備えることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
１２．前記プラズマにより加工した後、前記第２の材料を加工物の方向に向ける段階をさらに備えることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の方法。
１３．前記ガスをら旋状又は渦巻き状の流れにて導入し、前記プラズマ内における前記第２の材料の滞留時間を増加させることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の方法。